Soutenance de thèse de Cassandra BACKES

A ce jour, la plupart des travaux pour étudier et optimiser la production de bioH2 portent sur des cultures pures, en général cultivées dans un environnement extrêmement contrôlé. Les travaux sur les cultures mixtes, intéressantes du fait de leur robustesse et du large panel de substrats utilisables, sont très descriptifs et très peu abordent le rôle et le contrôle du réseau d'interactions entre les bactéries. L'utilisation de consortia nécessite donc une étude approfondie tant dans leur description que dans leur fonctionnement afin de mieux les comprendre pour mieux les mobiliser. Dans le cadre des travaux sur la production de bioH2, un consortium synthétique constitué d'une bactérie productrice d'H2 : Clostridium acetobutylicum et d'une bactérie toujours présente dans les consortia impliqués dans la dégradation de la biomasse : Desulfovibrio vulgaris a été étudié. C. acetobutylicum intervient lors la fermentation des monomères d'acides aminés, sucres et acides gras en acides organiques. D. vulgaris est une bactérie sulfato-réductrice qui participe à l'acétogénèse, en présence de sulfate. Intervenant à des stades différents de la dégradation de la matière organique, ces deux bactéries n'utilisent pas les mêmes sources de carbone pour leur croissance. De précédentes études ont démontré la mise en place d'une communication physique et métabolique entre les deux bactéries, conduisant à une production d'H2 deux fois plus importante et à une modification du flux de carbone au sein du consortium. Ces travaux suggèrent que la compréhension des interactions métaboliques constituerait une voie de contrôle de la production de bioH2 sans qu'aucune modification génétique ne soit nécessaire. Mon projet a eu pour objectif d'étudier l'interaction entre ces deux bactéries. J'ai ainsi mis au point un protocole expérimental, le Stable Isotope Probing grâce auquel nous avons démontré que C. acetobutylicum partage des composés carbonés avec D. vulgaris qui les utilisent pour sa croissance. Mes travaux ont également confirmé que l'interaction physique et donc l'échange de carbone étaient tributaires de molécules de communication. Ma thèse se place dans le cadre d'optimisation de la production d'hydrogène, pour cela il est essentiel de comprendre les interactions possibles entre les microorganismes dans un même biotope. Dans cette optique, nous avons introduit un 3ème partenaire au consortium : Escherichia coli. Nous avons réalisé des suivis de croissance et des suivis métaboliques. Couplés à une approche d'imagerie confocale, nos travaux ont permis de démontrer d'une part, que l'ajout de E. coli dans le consortium a un impact au niveau des croissances et des métabolismes car dans ces conditions, C. acetobutylicum est capable d'avoir un rendement plus élevé en hydrogène. D'autre part, que D. vulgaris n'est pas seulement capable de tirer profit de cette association avec C. acetobutylicum mais qu'elle a aussi un rôle à jouer dans la protection de sa partenaire dans des conditions environnementales particulières. Enfin, ces résultats nous ont permis de mettre en lumière des échanges intercytoplasmiques entre C. acetobutylicum et D. vulgaris mais aussi entre D. vulgaris et E. coli. Ces résultats laissent entrevoir la possibilité de bénéfices mutuels entre D. vulgaris et ses partenaires. Enfin, des travaux préliminaires ont été entrepris dans le but de mettre en évidence les bases moléculaires du signal qui initient l'interaction entre C. acetobutylicum et D. vulgaris.

Most of the work to study and optimize the production of bioH2 involves pure cultures, usually grown in an extremely controlled environment. Work on mixed cultures, interesting because of their robustness and the wide range of usable substrates, are very descriptive but very few address the role and control of the network of interactions between bacteria. The use of consortia requires a study both in their description and in their operation in order to better understand them. In the context of bioH2 production, a synthetic consortium consisting of a bacterium producing H2: Clostridium acetobutylicum and a bacterium still present in the consortia involved in the degradation of biomass: Desulfovibrio vulgaris was studied. C. acetobutylicum is involved in the fermentation of the monomers of amino acids, sugars and fatty acids into organic acids. D. vulgaris is a sulphate-reducing bacterium that participates in acetogenesis in the presence of sulphate. At different stages in the degradation of organic matter, these two bacteria do not use the same carbon sources for their growth. Previous studies have demonstrated the establishment of physical and metabolic communications between the two bacteria, leading to twice as much H2 production and a change in the carbon flow within the consortium. This work suggests that an understanding of metabolic interactions would be a pathway to control bioH2 production without the need for genetic modification. My project aimed to study the interactions between these two bacteria. Thus I developed an experimental protocol, the Stable Isotope Probing, through which we demonstrated that C. acetobutylicum shares carbon compounds with D. vulgaris that uses them for its growth. My work has also confirmed that physical interactions and therefore carbon exchange depend on communication molecules. My thesis is part of the optimization of hydrogen production, for this it is essential to understand the possible interactions between microorganisms in the same biotope. With this in mind, we have introduced a third partner to the consortium: Escherichia coli. We carried out growth and metabolic monitoring. Coupled with a confocal imaging approach, our work has shown, that the addition of E. coli in the consortium has an impact on growth and metabolism as C. acetobutylicum is able to have a higher yield of hydrogen under these conditions. Moreover, D. vulgaris not only uses carbon molecules produced by C. acetobutylicum but also has a role in protecting its partner under particular environmental conditions. Finally, these results allowed us to highlight intercytoplasmic exchanges between C. acetobutylicum and D. vulgaris but also between D. vulgaris and E. coli. These results point to the possibility of mutual benefits between D. vulgaris and his partners. Preliminary work has been also undertaken to highlight the molecular basis of the signal that initiates the interaction between C. acetobutylicum and D. vulgaris.