DynAMic

Les thématiques scientifiques des trois équipes

L’unité est organisée en deux équipes de recherche et d’une 3^ème en émergence.

Streptomyces Adaptation (StrAda)

Les Streptomyces sont des bactéries sporulantes et filamenteuses, ubiquistes des sols et des milieux marins. Grâce à leur vaste répertoire enzymatique, elles sont à l’origine de plus de la moitié des antibiotiques utilisés en médecine humaine et vétérinaire. Leurs métabolismes spécialisés leur permettent également d’interagir avec les plantes et les animaux. Dans les sols, elles jouent un rôle clé au sein du microbiote racinaire, où elles agissent comme bactéries promotrices de la croissance des plantes (PGPB), favorisant le développement végétal, la solubilisation des minéraux et la formation de sols suppressifs en limitant les phytopathogènes. Ces propriétés en font d’excellents candidats pour le biocontrôle en agronomie. Les Streptomyces possèdent également un grand chromosome linéaire (8–12 Mb) avec une région centrale stable au sein du genre où se concentrent les gènes conservés (core genes) et des bras chromosomiques possédant des gènes d’adaptation plus variables entre espèces. Cette distribution refléterait des fréquences de remaniement et de remplacement de gènes plus importants dans les bras.

L’équipe StrAda s’intéresse aux mécanismes d’évolution des Streptomyces et en particulier aux transferts horizontaux de gènes et à leurs conséquences sur l’adaptation de ces bactéries. Nous étudions quels sont les moteurs de ces transferts, leurs mécanismes et également comment la plasticité de leurs chromosomes participe au succès de ces transferts.

À partir de populations de Streptomyces isolées de la rhizosphère d’arbres (des souches sympatriques et conspécifiques) nous avons ainsi mis en évidence une forte abondance d’éléments génétiques mobiles intégrés aux chromosomes, spécifiques des Actinomycètes. Ces éléments appelés AICE (Actinomycete Integrative and Conjugative Elements) jouent un rôle clé dans les transferts de gènes par conjugaison. Ces échanges fréquents et rapides dans les sols peuvent notamment entraîner le co-transfert de larges fragments d’ADN chromosomique entre souches apparentées (SCT pour Streptomyces Chromosome Transfer), conduisant parfois à des hybrides contenant jusqu’à un tiers du chromosome d’une souche sœur. Ce mécanisme d’échange génétique massif favorise une évolution rapide et explique en partie la grande capacité d’adaptation des Streptomyces dans les environnements terrestres.

Parallèlement, nous explorons certains mécanismes à l’origine de l’organisation du nucléoïde et de la maintenance du chromosome (système de réparation des mutations ponctuelles MMR, recombinaison homologue et recombinaison illégitime de type NHEJ) afin de trouver la source de la différence de plasticité entre les compartiments chromosomiques (centre vs. bras). L’intérêt de l’étude de ces mécanismes réside également dans la compréhension de l’étape d’intégration de l’ADN exogène acquis par transfert horizontal.

Dans un cadre plus appliqué, nous étudions également le potentiel des Streptomyces en tant que source de nouvelles biomolécules d’intérêt médical ou agronomique comme des antibiotiques, des anticancéreux ou des antifongiques. Nos travaux combinent des approches multi-omiques (génomique, transcriptomique, métabolomique) afin de repérer de nouveaux clusters de gènes biosynthétiques et voies métaboliques d’intérêt et de comprendre les mécanismes génétiques et évolutifs qui sous-tendent leur création. Parallèlement, nous mettons en œuvre des outils de biologie de synthèse et d’ingénierie génétique pour optimiser la production de métabolites ou encore améliorer leurs propriétés biologiques. Ces travaux ouvrent des perspectives prometteuses pour la découverte de nouvelles molécules thérapeutiques et le développement de solutions durables en agronomie.

ICE Transfer and Adaptation (ICE-TeA)

L’équipe ICE TeA est spécialisée dans l’étude de la conjugaison bactérienne, un mécanisme permettant le transfert d’ADN entre cellules en contact direct. L’ADN transféré par conjugaison appartient à des éléments génétiques mobiles, parmi lesquels les plus connus sont les plasmides conjugatifs et les ICE (pour Integrative and Conjugative Elements). Ces éléments se propagent de manière autonome puisqu’ils codent l’ensemble des fonctions nécessaires à leur propre transfert. Au-delà de leurs fonctions de mobilité, les plasmides conjugatifs et les ICE portent souvent des gènes conférant des propriétés adaptatives variées, telles que des résistances aux antibiotiques, des facteurs de virulence ou encore des capacités métaboliques particulières. Ils peuvent également faciliter la dissémination de gènes d’origine chromosomique. Ainsi, la conjugaison constitue un moteur essentiel de l’évolution rapide des génomes bactériens et joue un rôle déterminant dans l’adaptation des populations microbiennes à leur environnement.

Les modèles bactériens que nous étudions sont principalement des streptocoques, avec une extension progressive à d’autres bactéries appartenant au phylum des Bacillota. Les Bacillota colonisent une grande diversité de milieux, notamment les sols, les environnements aquatiques, ainsi que les microbiotes intestinaux des humains et des animaux, où ils jouent un rôle structurant. Ce phylum comprend à la fois des espèces pathogènes (par exemple Streptococcus suis, Clostridioides difficile), des pathogènes opportunistes (par exemple Enterococcus faecalis), des espèces symbiotiques ou commensales participant à l’homéostasie des microbiotes (telles que Faecalibacterium sp ou Lactobacillus sp.), ainsi que des espèces d’intérêt biotechnologique, exploitées notamment dans les industries laitières (comme Lactococcus lactis ou Streptococcus thermophilus). Leur ubiquité, la diversité de leurs modes de vie et leur large éventail métabolique font des Bacillota des acteurs majeurs en santé humaine, en microbiologie et en écologie microbienne.

La conjugaison bactérienne, découverte en 1946 par Joshua Lederberg et Edward Tatum, demeure aujourd’hui un champ de recherche très actif. Au niveau international, plusieurs équipes s’efforcent d’en élucider les bases mécanistiques et progressent notamment dans la caractérisation du pore de conjugaison, un complexe multiprotéique apparenté aux systèmes de sécrétion de type IV (T4SS) responsable du transfert d’éléments génétiques de la cellule donneuse vers la cellule receveuse. L’équipe ICE-TeA s’inscrit dans cette dynamique. L’originalité de nos travaux repose d’une part sur le choix de l’élément conjugatif modèle : les ICE et d’autre part sur les modèles bactériens étudiés, des bactéries à Gram positif. Plusieurs thématiques de recherche sont développés dans l’équipe :

• Nous combinons des approches de biochimie des protéines, de génétique microbienne et de biologie structurale − en collaboration avec plusieurs équipes partenaires − afin de comprendre, au niveau moléculaire, comment l’ADN, est pris en charge lors des premières étapes de la conjugaison et comment il est transféré à travers l’enveloppe cellulaire de la bactérie donneuse puis de la receveuse. Outre leur capacité à assurer leur propre transfert, les éléments conjugatifs (plasmides conjugatifs et ICE) peuvent également mobiliser d’autres éléments génétiques mobiles non autonomes, tels que les plasmides mobilisables et les IME (Integrative and Mobilizable Elements). Si le rôle majeur du processus de mobilisation dans la dissémination des résistances aux antibiotiques est bien établi, son mécanisme moléculaire reste encore largement méconnu. Décrypter les bases de la mobilisation des IME chez les bactéries à Gram positif constitue ainsi une autre thématique de recherche centrale au sein de l’équipe ICE-TeA.

• Les plasmides sont étudiés depuis longtemps car leur forme majoritairement extrachromosomique facilite leur détection et caractérisation. A l’inverse, les ICE et les IME, intégrés dans les génomes bactériens, sont beaucoup plus difficile à identifier. Pour relever ce défi, l’équipe ICE TeA − en partenariat avec d’autres équipes − développe des méthodes et outils bioinformatiques spécifiquement dédiés à la détection et l’annotation de ces éléments dans les génomes de Bacillota. Son expertise dans la délimitation manuelle de ces éléments lui permet également de concevoir des approches automatisées de bornage hautement précis de ces éléments. Ces outils sont exploités pour analyser d’une part l’abondance et la diversité des ICE et des IME chez les Bacillota, afin d’évaluer leur contribution à l’évolution rapide des génomes de ce phylum. D’autre part, l’équipe s’attache à inventorier les fonctions non liées au transfert, portées par ces éléments, afin d’évaluer leur contribution à la survie des bactéries dans leur environnement, à la colonisation de nouvelles niches écologiques et à la propagation des résistances aux antibiotiques. Enfin, nous nous intéressons aux facteurs − intrinsèques aux éléments mobiles, liés à des interactions avec d’autres éléments mobiles ou avec à l’hôte − qui contribuent au succès écologique et à l’évolution des ICE et des IME.

Équipe émergente : Architecture chromosomique (ChromoDyn)

Un chromosome est plus qu’un ensemble de gènes codés sur une chaîne linéaire de nucléotides. Sa séquence d’ADN et son agencement ont une incidence sur l’accessibilité aux protéines de liaison à l’ADN et façonnent de grands domaines 3D. En général, l’étude de l’architecture chromosomique implique l’examen des principes de construction des chromosomes. Cela comprend l’agencement linéaire des gènes sur le chromosome, ainsi que leur position relative par rapport à la structure 3D du chromosome. Au cours de l’évolution, l’architecture chromosomique est modifiée par le transfert génétique horizontal et les réarrangements chromosomiques. L’architecture joue un rôle dans la régulation des gènes en termes de force et de timing. La réplication, les NAPS (protéines associées au nucléoïde) et le superenroulement de l’ADN sont des acteurs majeurs qui peuvent agir indépendamment ou de manière concertée pour former un modèle d’expression temporelle des gènes afin de créer un organisme efficace dans sa niche. Pour étudier l’impact des architectures chromosomiques spécifiques, nous appliquons diverses approches bioinformatiques, omiques et de biologie synthétique. Afin d’obtenir une vue d’ensemble complète, plusieurs organismes modèles sont étudiés. Ces organismes comprennent des bactéries Gram +, Streptomyces et Streptococcus, ainsi que des bactéries Gram -, Escherichia coli et Vibrio natriegens. Les études sur ces organismes sont complétées par des approches de biologie synthétique qui impliquent l’édition génomique à grande échelle et la conception de banques d’ADN.