Jean Weissenbach

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La génomique nouvel observatoire du monde
microbien

• Jean Weissenbach
• (Genoscope Centre national de séquençage)

Université de tous les savoirs
Saint-Pères 15 Juin 2008
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Quelques dates de l'histoire de la
microbiologie 1684 Antonie van Leeuwenhoek
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Quelques dates de l'histoire de la
microbiologie 1684 Antonie van
Leeuwenhoek 1838 Schwann (levure ferment
vivant) 1857 Pasteur (fermentation
lactique) 1860 Pasteur (fermentation
alcoolique) 1864 Pasteur (génération
spontanée) 1881 Koch (cultures pures)
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Postulats de Koch Par l'utilisation de cultures
pures on peut montrer que des organismes
distincts ont des propriétés biologiques
différentes
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Au cours des années 70 Carl Woese procède à des
comparaisons systématiques de séquences d ARN
des ribosomes de bactéries
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TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTCG
TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCTTGAACGAGCGCAACCCCTG
TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTG
TGTTGTGAAATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTTG
TGTCGTGAGATGTTGGGGTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTA TGC
CGTGAGGTGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTA
TGCCGTGAGGTGTACCCTTAAGTGGGGAAACGAGCGTAACCCCTA
a b c d e f g
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Inventaire moléculaire de la diversité despèces
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Inventaire moléculaire de la diversité despèces
Extraction
sequences dARNr 16S
Analyse de séquences
séquençage
ADN
Clones
Clonage dans E. coli
gènes dARNr 16S amplifiés
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Par cette approche Norman Pace observe dans les
années 90 des séquences de rDNA qui ne
correspondent pas à des espèces connues
cultivées.
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Les bactéries sont partout, nombreuses et vivent
parfois dans des conditions particulièrement
inhospitalières
Minimum Optimum Maximum
Température élevée thermophile Pyrolobus fumarii 90C 106C 113C
basse psychrophile Polaromonas vacuolata 0C 4C 12C
pH acide acidophile Picrophilus oshimae 0,06 0,7 (60C) 4
alcalin alcalinophile Natrialba magadii 8,5 9 12
pression élevée barophile MT41 (Mariana Trench) 11033 mètres de profondeur 500 atm 700 atm 4C gt 1000 atm
salinité élevée halophile Halobacterium salinarum 15 25 32 (saturation)
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• Avec l'augmentation de leur nombre, une
  compétition s'est instaurée pour les sources
• énergie
• matières premières (minérales ou organiques)

Pour échapper à la compétition les bactéries ont
recouru à l'innovation 1) en diversifiant leurs
sources d'énergie et de matières premières 2) en
s'adaptant à des environnements particuliers
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• énergie
• oxydoréductions chimiques
• différents oxydants, différents réducteurs
• lumière
• plusieurs utilisations de la lumière
• avec ou sans production d'O2
• matières premières (minérales ou organiques)
• C minéral (CO2 ou organique)
• N atmosphérique ou sels
• conditions du milieu
• température
• pH
• ions

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Streptococcus pneumoniae
Chondromyces
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Plus de 99 des bactéries sont encore inconnues
de nos jours
Habitat Nombre de bactéries de bactéries cultivables
Sol 1010 - 1013 / kg 0,01 - 0,1
Rivières, lacs 109 - 1010 / l 0,01 - 0,1
Océans (surface) 107 - 109 / l 0,001 - 0,1
Océans (profondeur) 107 - 108 / l indéterminé
Océans (sédiments) 109 - 1012 / l lt 1
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Les bactéries sont partout et nombreuses ...
Sols   107 à 1010 bactéries / g
Eaux potable en général maximum 1000 bactéries / mL
bassin de natation 100 bactéries / mL
mer peu polluée 10.000 bactéries / mL
Aliments lait stérilisé maximum 100 bactéries / mL
viande hachée 106 bactéries / g
Corps humain sain et propre peau du dos 100 à 1000 bactéries / cm2
peau des aisselles ou du pubis 106 bactéries / cm2
fèces 50 de la masse soit 1011 bactéries / g
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La flore intestinale humaine Cent mille
milliards de bactéries !!! Chacun de nous
héberge cent mille milliards de bactéries
constituant la flore digestive. Stérile avant
la naissance, notre tube digestif est rapidement
colonisé par cette flore complexe et diversifiée
qui se stabilise au cours des premières années de
la vie. Les interactions entre lorganisme et
la flore digestive participent au maintien en
bonne santé, alors que nous associons souvent
"bactéries" et "maladie". Les bactéries que nous
hébergeons ont un rôle bénéfique en termes de
nutrition et de santé.
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Au niveau de la planète la biomasse microbienne
représente plus de la moitié de la biomasse
terrestre
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Croûte terrestre
100 10 1 0,1
O
Si
Ca
Na
Mg
H
P
S
C
N
0,01 0,1 1 10 100
Biomasse
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D'où vient le carbone ? Carbone minéral
CO2 (bactéries autotrophes chimiolithotrophes
, phototrophes) Carbone organique
(bactéries hétérotrophes)
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Croûte terrestre
100 10 1 0,1
O
Si
Ca
Na
Mg
H
P
S
C
N
0,01 0,1 1 10 100
Biomasse
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D'où vient l'azote ? Azote atmosphérique
N2 Composés minéraux de l'azote (NH4,
NO2-, NO3-)
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Le rôle de l'infiniment petit dans la nature
est infiniment grand Louis Pasteur
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A ce jour
Nos connaissances en microbiologie ont été
obtenues à partir de quelques centaines despèces
parmi les quelques 5000 espèces
répertoriées Moins de 1 des bactéries sont
cultivées Le monde microbien reste encore
pratiquement inexploré La plupart des
contributions du monde microbien à la vie de la
biosphère ne sont connues que superficiellement
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De nombreuses raisons de s'intéresser aux
communautés bactériennes

• impact sur les équilibres biogéochimiques
• quels sont les acteurs ?
• nouvelles étapes des cycles biologiques des
  éléments
• impact sur la santé (flores microbiennes
  humaines)
• modèles d'écosystèmes (structure des communautés
  bactériennes)
• utilisation de la biodiversité à des fins
  d'applications
• substances thérapeutiques
• substances d'intérêt industriel
• enzymes utiles pour la chimie de synthèse
• bioremédiation
• nouveaux éclairages sur l'évolution

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Comment aborder la question de la composition
des communautés bactériennes ?

• rDNA 16S
• FISH
• métagénomique
• techniques sur cellules isolées
• culture

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La métagénomique
Extraction
sequences dADN
séquençage
Analyse de séquences
Clones
Clonage dans E. coli
ADN
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Tous les génomes de bactéries possèdent au moins
une copie du gène rouge
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Ce gène rouge présent chez toutes les bactéries
est en fait composé - de parties communes
retrouvées dans ce gène dans toutes les
bactéries - de parties qui sont propres à une
seule espèce de bactéries
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• Ce gène présent chez toutes les bactéries possède
  des
• parties communes (noir) qui sont présentes sur
  la séquence de ce gène dans toutes les bactéries

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• Ce gène présent chez toutes les bactéries possède
  des
• parties (autres couleurs) qui sont uniques à
  chaque espèce de bactéries

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• Ce gène présent chez toutes les bactéries possède
  des
• parties (autres couleurs) qui sont uniques à
  chaque espèce de bactéries

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Résultats Hybridation in situ sur les boues


Floc du bassin aérobie (BA) photo CLSM (gross.
630) hybridation avec sonde - groupe
Planctomycetales Pla46F marqué au CY5
- sonde spécifique  nouveau genre 
322R marqué au CY3 - superposition Pla46F
et 322R - autofluorescence
10 µm
10 µm
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Problèmes d'analyses des données d'un métagenome

• Données très fragmentaires
• Liens perdus avec les cellules d'origine
• La grande majorité de ces cellules sont inconnues

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Quelques résultats de la métagénomique

• reconstitution de la séquence génomique complète
  de plusieurs bactéries non cultivables
• présence d'un grand nombre de gènes de
  proteorhodopsine dans les bactéries
• découverte de dizaines de milliers de gènes de
  fonction inconnue
• association entre type de flore bactérienne
  intestinale et obésité