La génomique nouvel observatoire du monde microbien

Présentation au sujet: "La génomique nouvel observatoire du monde microbien"— Transcription de la présentation:

1 La génomique nouvel observatoire du monde microbien
Jean Weissenbach (Genoscope – Centre national de séquençage) Université de tous les savoirs Saint-Pères Juin 2008

2 Quelques dates de l'histoire de la microbiologie
1684 Antonie van Leeuwenhoek

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4 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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7 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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10 Au cours des années 70 Carl Woese procède à des comparaisons systématiques de séquences d ’ARN des ribosomes de bactéries

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13 TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTCG
b c d e f g TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTCG TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCTTGAACGAGCGCAACCCCTG TGTCGTGAGATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTG TGTTGTGAAATGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCTTG TGTCGTGAGATGTTGGGGTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTA TGCCGTGAGGTGTTGGGTTAAGTCCCGCAACGAGCGCAACCCCTA TGCCGTGAGGTGTACCCTTAAGTGGGGAAACGAGCGTAACCCCTA f g a c b d e

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18 Inventaire moléculaire de la diversité d‘espèces
Extraction Echantillon de l'environnement Analyse de séquences séquençage sequences d‘ARNr 16S ADN Clonage dans E. coli Clones PCR gènes d‘ARNr 16S amplifiés

19 Inventaire moléculaire de la diversité d‘espèces
Extraction Echantillon de l'environnement Extraction sequences d‘ARNr 16S Analyse de séquences séquençage ADN Clones PCR Clonage dans E. coli gènes d‘ARNr 16S amplifiés

20 Par cette approche Norman Pace observe dans les années 90 des séquences de rDNA qui ne correspondent pas à des espèces connues cultivées.

21 Les bactéries sont partout, nombreuses et vivent parfois dans des conditions particulièrement inhospitalières … Minimum Optimum Maximum Température élevée thermophile Pyrolobus fumarii 90°C 106°C 113°C basse psychrophile Polaromonas vacuolata 0°C 4°C 12°C pH acide acidophile Picrophilus oshimae 0,06 0,7 (60°C) 4 alcalin alcalinophile Natrialba magadii 8,5 9 12 pression barophile MT41 (Mariana Trench) 11033 mètres de profondeur 500 atm 700 atm 4°C > 1000 atm salinité halophile Halobacterium salinarum 15 % 25 % 32 % (saturation)

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25 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

26 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

27 Streptococcus pneumoniae
Chondromyces Streptococcus pyogenes Salmonella Vibrio cholerae Pseudomonas Vue en m.e coloration négative vue en m. e à balayage

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29 Plus de 99% des bactéries sont encore inconnues de nos jours
Habitat Nombre de bactéries % de bactéries cultivables Sol / kg 0,01 - 0,1 Rivières, lacs / l Océans (surface) / l 0, ,1 Océans (profondeur) / l indéterminé Océans (sédiments) / l < 1 %

30 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 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

31 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 l’organisme 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.

32 la biomasse microbienne représente
Au niveau de la planète la biomasse microbienne représente plus de la moitié de la biomasse terrestre

33 Croûte terrestre 100 10 1 0,1 Si O Ca Na Mg H P S C N 0, , Biomasse

34 D'où vient le carbone ? Carbone minéral : CO2 (bactéries autotrophes : chimiolithotrophes, phototrophes) Carbone organique (bactéries hétérotrophes)

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37 Croûte terrestre 100 10 1 0,1 Si O Ca Na Mg H P S C N 0, , Biomasse

38 D'où vient l'azote ? Azote atmosphérique N2 Composés minéraux de l'azote (NH4+, NO2-, NO3-)

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41 Le rôle de l'infiniment petit dans la nature
est infiniment grand Louis Pasteur

42 A ce jour Nos connaissances en microbiologie ont été obtenues à partir de quelques centaines d’espèces 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

43 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

44 Comment aborder la question de la composition
des communautés bactériennes ? rDNA 16S FISH métagénomique techniques sur cellules isolées culture

45 Echantillon de l'environnement
La métagénomique Extraction Echantillon de l'environnement Extraction sequences d‘ADN Clones séquençage Analyse de séquences Clonage dans E. coli ADN

46 Tous les génomes de bactéries possèdent au moins une copie du gène rouge

47 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

48 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 ceci permet de le retrouver à partir d'un mélange des ADN extraits de bactéries vivant dans un environnement particulier

49 Ce gène présent chez toutes les bactéries possède des
parties (autres couleurs) qui sont uniques à chaque espèce de bactéries ceci permet de distinguer ce gène chez une espèce du même gène chez les autres espèces du mélange

50 Ce gène présent chez toutes les bactéries possède des
parties (autres couleurs) qui sont uniques à chaque espèce de bactéries ceci permet aussi savoir quelles espèces connues et inconnues sont dans le mélange et d'avoir une idée du nombre d’espèces de bactéries qui sont dans le mélange et de leur abondance

51 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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54 des données d'un métagenome
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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56 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