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Les transporteurs de sucres complexes des éléments clefs pour le fonctionnement des écosystèmes microbiens et pour la biologie de synthèse

La métabolisation des glycanes, qui constituent la principale source de carbone de l’ensemble des organismes vivants, est une fonction capitale tant pour les souches châssis utilisées en biologie de synthèse, que pour les écosystèmes microbiens naturels. C’est le cas du microbiote intestinal humain, qui a développé une machinerie protéique très diversifiée pour reconnaître, transporter et dégrader  les glycanes complexes, notamment ceux composant les fibres alimentaires. Pour accéder à ces fonctions assurées en grande majorité par des bactéries non cultivées, les chercheurs du Laboratoire d’Ingéniérie des Systèmes Biologiques et des Procédés (LISBP) ont développé une stratégie générique combinant métagénomique fonctionnelle, transcriptomique, caractérisation biochimique et ingénierie de la machinerie de métabolisation des glycanes. Ces travaux ont permis d’identifier et de caractériser, pour la première fois, la spécificité de transporteurs de constituants majeurs de la paroi végétale, appartenant à 2 familles différentes.

 

La mise en lumière des fonctions de transport chez les bactéries 

Malgré le rôle crucial des transporteurs des sucres, leur identification et leur caractérisation reste limitée du fait de plusieurs verrous techniques : i) dans les organismes natifs, la multiplicité des systèmes de transport des sucres, combinée à la difficulté des manipulations génétiques (voire l’impossibilité dans le cas des organismes non cultivés qui composent l’immense majorité des écosystèmes) rendent leur caractérisation complexe ; ii) dans les organismes châssis, l’expression hétérologue de ces protéines membranaires est souvent difficile et les fonctions de transport ne peuvent être criblées que si les fonctions de dégradation des glycanes permettant leur métabolisation complète ont été introduites dans la même voie métabolique. Dès 2010, une approche de métagénomique fonctionnelle a été développée au LISBP, pour capter des voies complètes du catabolisme des glycanes issues de bactéries non-cultivées [1,2]. C’est à partir de l’un de ces loci d’ADN métagénomique que nous avons développé une approche générique basée sur l’utilisation  d’E. coli, une bactérie de laboratoire fréquemment utilisée comme châssis pour la biologie de synthèse,  pour la  caractérisation fonctionnelle de ce système multi-protéique.

 

La métabolisation des pentoses complexes : un transfert réussi du microbiote intestinal vers E. coli  

Pour caractériser le système d’intérêt, et exploiter son potentiel fonctionnel chez E. coli, une étude intégrative combinant transcriptomique, ingénierie rationnelle du locus métagénomique et caractérisation biochimique a été réalisée, permettant d’accéder aux fonctions de chaque élément du système catabolique. Cette machinerie complexe, issue d’un Bacteroidetes intestinal naturellement optimisé pour la métabolisation des xylo-oligosaccharides, confère à E. coli la possibilité d’utiliser des glycanes complexes comme seule source de carbonegrâce aux fonctions complémentaires d’hydrolyse, assurée par plusieurs glycoside-hydrolases, et de transport, réalisée par deux nouveaux transporteurs dont la spécificité pour les pentoses, constituants majeurs de la paroi végétale, a été finement caractérisée.

 

Vers l’ingénierie de nouvelles voies cataboliques

L’approche développée ici permettra à court terme l’intensification de la découverte, de la caractérisation à l’échelle moléculaire, voire du contrôle des fonctions cruciales de métabolisation des glycanes et de composés bioactifs par le microbiote intestinal humain. De plus, l’intégration chez       E. coli et l’ingénierie de telles voies métaboliques issues d’écosystèmes naturellement optimisés pour l’assimilation de la biomasse végétale, ouvre la voie au développement de nouvelles usines cellulaires dédiées à la synthèse de produits bio-sourcés.

 

Partenaires :

-       Dr. Eric Martens and Dr. Yao Xiao, Université du Michigan, USA.

 

Valorisation :

Tauzin A.S., Laville E., Xiao Y., Nouaille S., Le Bourgeois P., Heux S., Portais J.-C., Monsan P., Martens E.C., Potocki-Veronese G., Bordes F. (2016) Functional characterization of a gene locus from an uncultured gut Bacteroides conferring xylo-oligosaccharides utilization to E. coli. Molecular Microbiology, doi: 10.1111/mmi.13480.

 

Références :

[1] Tasse, L., J. Bercovici, S. Pizzut-Serin, P. Robe, J. Tap, C. Klopp, B.L. Cantarel, P.M. Coutinho, B. Henrissat, M. Leclerc, J. Doré, P. Monsan, M. Remaud-Simeon, and G. Potocki-Veronese (2010). Functional metagenomics to mine the human gut microbiome for dietary fiber catabolic enzymes. Genome Research 20: 1605-1612.

[2] Cecchini D.A., Laville, E., Laguerre, S., Robe, P., Leclerc, M., Doré, J., Henrissat B., Remaud-Siméon M., Monsan P., Potocki-Veronese G. (2013) Functional Metagenomics Reveals Novel Pathways of Prebiotic Breakdown by Human Gut Bacteria. PLoS One, 8: e72766. doi: 10.1371/journal.pone.0072766.

 

Contacts :

Florence Bordes : florence.bordes@insa-toulouse.fr

Gabrielle Véronèse : veronese@insa-toulouse.fr

Alexandra Tauzin : tauzin@insa-toulouse.fr