Ecole Doctorale

Sciences de la Vie et de la Santé

Spécialité

Biologie-Santé - Spécialité Maladies Infectieuses

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Archaea,Méthanogènes,Pathogènes,Methanobrevibacter smithii,Interactions métaboliques,Bactéries

Keywords

Archaea,Methanogens,pathogens,Methanobrevibacter smithii,Metabolic interaction,Bacteria

Titre de thèse

Contribution à l'étude des relations symbiotiques méthanogènes-bactéries en situations pathologiques chez l'homme
Contribution to the study of symbiotic methanogen-bacteria relationships in Humans pathological situations

Date

Thursday 1 July 2021

Adresse

19-21 Boulevard Jean Moulin, 13005 Marseille Salle 1

Jury

Directeur de these M. Michel DRANCOURT Aix-Marseille Université
Rapporteur Mme Leila AMMAR Faculté de Médecine de Sfax
Rapporteur M. Max MAURIN Université Grenoble Alpes
Examinateur Mme Florence FENOLLAR Aix-Marseille Université

Résumé de la thèse

En se basant sur la phylogénie, Carl Woese propose en 1977 une nouvelle classification du monde du vivant. Les archaea forment alors un domaine à part entière aux côtés des bactéries (Bacteria) et des eucaryotes (Eukarya). Les Archaea se caractérisent par leur grande diversité écologique et métabolique. Mes travaux de thèse ont porté sur un groupe particulier d’Archaea, les méthanogènes qui sont des microorganismes aero-intolérants appartenant au phylum des Euryarchaeota intervenant en bout de chaîne microbienne dans la dégradation anaérobie de la matière organique. De plus, ce sont les seuls organismes actuellement connus à produire du méthane comme produit final de leur métabolisme. Les méthanogènes sont très largement distribués dans la nature, en particulier dans le tube digestif de nombreux animaux. Chez l’homme, ils sont connus depuis près de 40 ans comme commensaux du tube digestif et de la cavité orale. Depuis leur découverte chez l’homme, la question de leurs relations et interactions avec les deux autres domaines du vivant se pose. Pour avancer sur cette question, notre revue de la littérature a répertorié l'ensemble des bactéries co-détectées avec les méthanogènes chez l’homme, éclairant la nature des interactions métaboliques entre ces microorganismes. Notre revue met en exergue l’importance de ces relations symbiotiques qui s'avèrent essentielles pour la santé humaine, ainsi que le rôle central qu’occupent les méthanogènes dans le cycle du carbone. Notre revue a enfin montré la méconnaissance actuelle de la diversité des méthanogènes associés à l’homme, ainsi que leur impact potentiel sur la santé humaine. Ainsi nos travaux expérimentaux ont eu pour objectif d’étendre le spectre des méthanogènes associés à l’homme en situations pathologiques. Nous avons montré pour la première fois à travers deux études la présence de Methanobrevibacter smithii et de Methanosphaera stadtmanae dans le sang de patients fébriles en association avec des bactéries, posant ainsi la question de la présence de ces méthanogènes aero-intolérants dans le sang très oxygéné à laquelle nous avons apporté un début de réponse dans la troisième partie de ce travail. En effet, nous avons mis en évidence l’élévation des valeurs d’acide urique chez les patients positifs par rapport aux contrôles, suggérant ainsi que l'hyperuricémie crée des conditions favorables à la survie des méthanogènes dans le sang du fait de son pouvoir antioxydant. Dans une deuxième étude, nous nous sommes intéressés aux bactéries co-détectées avec M. smithii et nous avons apporté la preuve de concept qu’il est possible de cultiver les méthanogènes dans les flacons commerciaux en présence uniquement d’antioxydants et de bactéries productrices d’hydrogène, corroborant ainsi leur détection dans le sang. Dans la dernière partie de ma thèse, utilisant des outils spécifiques, nous avons démontré que les méthanogènes font partie de la flore anaérobie impliquée dans la survenue de certaines infections. M. smithii et Methanobrevibacter oralis ont été détectés dans des abcès appendiculaires en association avec des Enterobacteriaceae et des Enterococcaceae. M. smithii a été détecté dans un échantillon d’abcès amygdalien contenant également huit espèces bactériennes appartenant essentiellement aux familles des Streptococcaceae, Enterobacteriaceae et Bacteroidaceae. Dans une troisième étude, nous rapportons la détection de M. smithii, M. oralis et de Methanobrevibacter wolinii en association avec des staphylocoques dans 4% des échantillons articulaires et osseux de patients diagnostiqués avec une infection bactérienne de prothèse orthopédique. Toutes ces observations indiquent que ces infections ne doivent plus être considérées comme des infections bactériennes strictes mais plutôt comme des infections polymicrobiennes mêlant bactéries et méthanogènes qui pourrait conduire à des implications dans le diagnostic microbiologique de routine.

Thesis resume

Based on phylogeny, Carl Woese proposed in 1977 a new classification of the living world. In this new classification, the archaea form a separate domain from bacteria (Bacteria) and eukaryotes (Eukarya). Archaea are characterized by their great ecological and metabolic diversity. My thesis focused on methanogens which are an aero-intolerant group of Archaea belonging to the Euryarchaeota phylum, implicated at the end of the microbial chain in the anaerobic degradation of organic matter. They are the only known organisms to produce methane as the final product of their metabolism. Methanogens are widely distributed in nature, more particularly in the digestive tract of animals. Since the 1980s, methanogens have been acknowledging as commensals of the human digestive tract and oral cavity. Since their discovery in humans, the question of their relationships and interactions with the two other domains of life (Bacteria and Eukarya) has been raised. To provide an explanation, our review of the literature has listed all the bacteria co-detected with methanogens in humans, highlighting the nature of the metabolic interactions between these microorganisms. Our review also revealed the importance of these symbiotic relationships, which are essential for human health, as well as the central role of methanogens in the carbon cycle. Our literature review also showed the current limited knowledge of the diversity of methanogens associated with humans, as well as their potential impact on human health. So, our experimental work aimed to extend the spectrum of human-associated methanogens in pathological situations. We have demonstrated for the first time through two studies the presence of Methanobrevibacter smithii and Methanosphaera stadtmanae in the blood of febrile patients in association with bacteria, thus raising the question of the presence of these aero-intolerant methanogens in highly oxygenated blood to which we have provided some answers in the third part of our thesis. Indeed, we have highlighted an elevation of uric acid concentration in positive patients compared to controls, suggesting that hyperuricemia creates favorable conditions for the persistence of methanogens in the blood due to the antioxidant properties of uric acid. In a second study, we focused on the bacteria co-detected with M. smithii and provided proof of concept that it is possible to grow methanogens in commercial bottles only supplemented using antioxidants and hydrogen-producing bacteria, which corroborates their detection in blood. In the last part of our thesis, using specific molecular and microscopic tools, we demonstrated that methanogens are part of the anaerobic flora involved in the occurrence of some infections. M. smithii and Methanobrevibacter oralis were detected in appendicular abscesses in association with Enterobacteriaceae and Enterococcaceae. M. smithii was detected in a tonsil abscess sample also containing eight different bacterial species belonging mainly to the families Streptococcaceae, Enterobacteriaceae, and Bacteroidaceae. In a third study, we report the detection of M. smithii, M. oralis, and Methanobrevibacter wolinii in association with staphylococci in 4% of joint and bone samples of patients diagnosed with orthopedic prosthesis bacterial infection. All these observations indicate that these infections should no longer be considered as strict bacterial infections but rather as polymicrobial infections involving bacteria and methanogens, which could lead to new implications in routine microbiological diagnosis Keywords: Archaea, methanogens, Methanobrevibacter smithii, Methanosphaera stadtmanae, Methanobrevibacter oralis, Methanobrevibacter wolinii, Bacteria, Syntrophy, Metabolic interactions, Co-culture, Pathologies, Blood cultures, Abscesses, Prosthesis infections.