Soutenance de thèse de Mohamed MROUEH

Les biopolymères végétaux constituent des ressources renouvelables à haut potentiels biotechnologique, ayant des applications dans plusieurs domaines. L’étape limitante pour l’utilisation de ces ressources réside généralement dans leur récalcitrance, et le haut cout énergétique et économique des procédés chimiques et thermiques utilisés actuellement pour la dépolymérisation. La cellulose et l'hémicellulose sont les deux principaux polymères structuraux de la paroi des plantes. Ce sont des polysaccharides constitués de monomères de sucre liés par des liaisons glycosidiques. La cellulose est produite par la polymérisation exclusive de monomère de glucose. En revanche, l'hémicellulose est constituée de plusieurs monomères : xylose, galactose, mannose, arabinose... Les arabinoxylanes sont les principaux représentant de l’hémicellulose. Ils sont constitués d’une chaîne principale de xylose, hautement décoré de résidus arabinose. Sur ces décorations peuvent se greffer d’autres molécules comme l’acide glucuronique et l’acide férulique. De nombreux microorganismes sont capables de métaboliser les polysaccharides des parois végétales et, face à la complexité structurale et chimique de ce substrat l’intervention de nombreuses enzymes appelées CAZymes (Carbohydrate Active enZymes) est nécessaire. La bactérie modèle Ruminiclostridium cellulyticum est une bactérie mésophile, anaérobie stricte, cellulolytique et hémicellulolytique. Elle est capable d’utiliser la cellulose, et l’hémicellulose comme seule source de carbone et d’énergie, grâce à la synthèse de 148 CAZymes différentes dont 62 sont regroupés dans les complexes multienzymatiques appelés cellulosomes. Les cellulosomes sont formés d’une protéine d’échafaudage CipC sur laquelle s’ancre les CAZymes. Dans ces édifices, les synergies entre enzymes sont optimales. Les mécanismes de régulation génétique qui contrôle la production des CAZymes et la formation des cellulosomes reste à ce jour partiellement élucidés. Durant ma thèse, j’ai dans un premier temps caractérisé des enzymes de dégradation de l’arabinoxylane, qui hydrolysent les décorations d’arabinose. Ces arabinofuranosidases sont essentielles dans la dégradation complète des arabinoxylanes et agissent en synergie avec des xylanases. Les paramètres cinétiques de ces enzymes ainsi que leurs modes d’actions ont été déterminé. Je me suis ensuite intéressé à la régulation génétique qui contrôle l’expression de ces enzymes. Les enzymes que j’ai caractérisés sont codées par des gènes organisés en opéron chez R. cellulolyticum : l’operon xyl-doc. Cet opéron regroupe 14 gènes codant tous pour des hémicellulases cellulosomales aux activités variées. Cet opéron est régulé par un système à deux-composants nommé XydS/R où XydS est un senseur, et XydR un régulateur de réponse. Les analyses phénotypique, protéomique et transcriptomique d’une souche mutante, xydR ::int, dans laquelle le gène xydR a été interrompu par un intron , ont montré que XydR, contrôle l’expression de nombreux gènes chez R. cellulolyticum et notamment l’expression d’un opéron crucial chez cette bactérie, l’opéron cip-cel, qui codent entre autre pour le pilier architectural des cellulosomes : la protéine d’échafaudage CipC.

Plant biopolymers are renewable resources with high biotechnological potential, having applications in several fields. The limiting step for the utilization of these resources is generally their recalcitrance, and the high energetic and economical cost of the chemical and thermal processes currently used for depolymerization. Cellulose and hemicellulose are the two main structural polymers of the plant cell wall. They are polysaccharides consisting of sugar monomers linked by glycosidic bonds. Cellulose is produced by the exclusive polymerization of glucose monomer. On the other hand, hemicellulose is made of several monomers: xylose, galactose, mannose, arabinose... Arabinoxylans are the main representatives of hemicellulose. They consist of a main chain of xylose, highly decorated with arabinose residues. On these decorations can be grafted other molecules such as glucuronic acid and ferulic acid. Many microorganisms can metabolize the polysaccharides of plant cell walls and given the structural and chemical complexity of this substrate; the intervention of many enzymes called CAZymes (Carbohydrate Active enZymes) is necessary. The model bacterium Ruminiclostridium cellulyticum is a mesophilic, strictly anaerobic, cellulolytic and hemicellulolytic bacterium. It can use cellulose and hemicellulose as its sole source of carbon and energy thanks to the synthesis of 148 different CAZymes, 62 of which are grouped in multienzyme complexes called cellulosomes. The cellulosomes are formed by a scaffolding protein CipC on which the CAZymes are anchored. In these edifices, synergies between enzymes are optimal. The genetic regulation mechanisms that control the production of CAZymes and the formation of cellulosomes remain partially elucidated to this day. During my thesis, I first characterized arabinoxylan degradation enzymes, which hydrolyze arabinose decorations. These arabinofuranosidases are essential in the complete degradation of arabinoxylans and act in synergy with xylanases. The kinetic parameters of these enzymes and their modes of action were determined. I was then interested in the genetic regulation that controls the expression of these enzymes. The enzymes I characterized are encoded by genes organized in an operon in R. cellulolyticum: the xyl-doc operon. This operon gathers 14 genes coding for cellulosomal hemicellulases with various activities. This operon is regulated by a two-component system named XydS/R where XydS is a sensor and XydR a response regulator. Phenotypic, proteomic and transcriptomic analyses of a mutant strain, xydR::int, in which the xydR gene was interrupted by an intron, showed that XydR controls the expression of many genes in R. cellulolyticum and in particular the expression of a crucial operon in this bacterium, the cip-cel operon, which encodes, among other, the architectural pillar of the cellulosomes : scaffolding protein CipC.