La métagénomique pour exploiter le potentiel des microorganismes

Les microorganismes jouent un  rôle essentiel dans le cycle du carbone, notamment en participant à la dégradation des végétaux grâce à une machinerie enzymatique parfaitement adaptée. Cependant, l’exploitation de cet extraordinaire réservoir d’enzymes se heurte à une limite majeure. En effet, on estime que plus de 95 % des microorganismes présents dans de nombreux écosystèmes n’ont jamais été cultivés et sont donc inconnus. Dans ce contexte, le potentiel de la métagénomique est immense. Cette technologie,  aussi appelée  « génomique des communautés », correspond à l’analyse des génomes de tous les organismes d’une niche écologique donnée, sans étape de culture. Elle est utilisée depuis quelques années pour investiguer les fonctions des écosystèmes complexes tel que l’écosystème intestinal humain. En effet, les bactéries intestinales jouent un rôle majeur pour le maintien de la santé humaine, et contribuent à la nutrition par le biais de la métabolisation des fractions des aliments non digérées dans la partie supérieure du tube digestif, notamment les fibres alimentaires constituées de polysaccharides d’origine végétale.

Comprendre comment les bactéries du tube digestif dégradent les fibres alimentaires

Les chercheurs ont récemment développé une stratégie puissante de rationalisation du séquençage de métagénomes pour accélérer la découverte de nouvelles enzymes. Cette approche a été appliquée à l'exploration du métagénome intestinal humain pour mieux comprendre comment les bactéries du tube digestif dégradent les polysaccharides végétaux constituant les fibres alimentaires. Le criblage fonctionnel à haut débit du métagénome, réalisé à une cadence de 200 000 clones par semaine, permet d'explorer l'immense diversité de cet écosystème.

Plusieurs centaines de clones capables de dégrader l'amidon, la cellulose, les hémicelluloses, les pectines et le galactan ont été isolés. Ces clones ont été soumis à un criblage secondaire permettant d'évaluer leur efficacité de dégradation de substrats récalcitrants et leur stabilité, afin d'isoler les enzymes au plus fort potentiel pour la dégradation de la biomasse végétale.

Les efforts de séquençage ont été concentrés sur 0.84 Mb d'ADN métagénomique, correspondant aux 26 clones les plus intéressants. Soixante-treize enzymes de dégradation des polysaccharides ont été identifiées, dont plusieurs appartiennent à de nouvelles familles qui n'ont jamais été caractérisées. De nouveaux systèmes multigéniques codant pour des activités complémentaires nécessaires à la  déconstruction des structures complexes de la paroi végétale ont aussi été révélés.
Les résultats permettent de mieux comprendre comment et par quelles bactéries les fibres alimentaires sont métabolisées, et démontrent la puissance de cette approche générique pour l’exploration de la diversité fonctionnelle des métagénomes.

Evaluer les performances des nouvelles enzymes identifiées

L'enjeu est double quant à la valorisation de ces données métagénomiques. D'un point de vue générique, il s'agit maintenant de mieux comprendre, à  l'échelle atomique,  les relations structure-fonction des nouvelles enzymes identifiées. D'un point de vue finalisé, les travaux à court terme porteront sur l'évaluation des performances de ces enzymes, seules ou en cocktails, pour la dégradation de la biomasse végétale.  A plus long terme, l’objectif est de développer une approche de biologie de synthèse s’inspirant des systèmes développés naturellement par les bactéries pour s’adapter à la déconstruction des structures complexes de polysaccharides.



Financements :
- ANR 2007-2011 PNRA ALIMINTEST
- AIP 2008 INRA METAZYMES
- Appel à projets sur thèmes stratégiques identifiés par le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche  2008 (Bourse de thèse)


Partenariat:
- AFMB (CNRS Marseille) : B. Cantarel, P. Coutinho, B. Henrissat
- Micalis (INRA de Jouy-en-Josas) : J. Tap, M. Leclerc, J. Doré
- Plateforme BioInformatique Genotoul (INRA Toulouse) : C. Klopp
- LibraGen SA (Toulouse) : P. Robe, R. Nalin

Références :
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.