Adaptive metabolic mechanisms to nutritional and genetic constraints in Escherichia coli | Mécanismes métaboliques adaptatifs aux contraintes nutritionnelles et génétiques chez Escherichia coli

Inglés. Microorganisms, such as bacteria, possess important capacities to modulate their metabolism in response to physicochemical (temperature, pH, O2, etc.) and nutritional (carbon, nitrogen, trace elements, etc.) environmental perturbations, and/or to natural (evolution, spontaneous mutation, etc.) or synthetic (metabolic engineering) modifications of their genome. Understanding these adaptation mechanisms is of paramount importance to understand the complex interactions that exist between microorganisms within consortia, between microorganisms and their ecological niche, or to optimize the industrial production of high value-added molecules in biotechnology.During this thesis, the metabolism of Escherichia coli K-12 MG1655 was studied in depth in order to better understand how it allows the bacterium to adapt to different constraints. The first one is nutritional. In the presence of several carbon sources (glucose and acetate), it was possible to observe simultaneous consumption of these two carbon sources during an exponential growth despite the presence of glucose, in contrast to what is generally considered for this microorganism. The data obtained also show that the Pta-AckA pathway alone is able to sustain both acetate production and consumption in the presence of excess glucose. Iron deficiency, an essential trace element for the bacteria, was also studied and compared to the B2 taxonomic clade that gathers commensal and pathogenic E.coli strains. The results show a great disparity between the K12 and B2 strains, the latter being more resistant to iron deficiency. However, a similarity could be noted at the metabolic level since the first enzymes impacted by iron starvation are located in the branched-chain amino acid pathway.Finally, a metabolic constraint originating from genetic mutation in ilvG gene of E. coli K-12 MG1655 strains was studied. This gene encodes for an enzyme involved in complex and central metabolic pathway for the biosynthesis of branched-chain amino acids (valine, leucine and isoleucine). The latter represent 20% of the protein composition in amino acids. This work was carried out by using quantitative metabolomics and fluxomics approaches for the functional analysis of metabolic networks relying mainly on mass spectrometry and nuclear magnetic resonance (RMN). NMR-based methodologies aiming to better decipher metabolic pathway functioning, have been developed during the thesis. The results obtained have provided better understanding of branched-chain amino acid pathway functioning and more specifically, of mechanisms of its regulation. Described as dependent on valine, leucine and isoleucine intracellular concentrations, its regulation appears to be much more complex since other metabolic control mechanisms (propionate excretion, promiscuity activity of AHAS) also contribute to the maintenance of homeostasis in this part of the metabolism.

Francés. Les micro-organismes, tels que les bactéries, possèdent d’importantes capacités à moduler leur métabolisme pour répondre à des perturbations environnementales physico-chimiques (température, pH, O2, etc.) et/ou nutritionnelles (carbone, azote, oligoéléments, etc.), mais également à des modifications naturelles (évolution, acquisition transversale de gènes, mutation spontanée, etc.) ou synthétiques (ingénierie métabolique) de leur génome. Comprendre ces mécanismes d’adaptation est fondamental pour appréhender les interactions complexes qu’il existe entre les micro-organismes au sein des consortia, entre les micro-organismes et leur niche écologique, ou bien optimiser la production industrielle de molécules à haute valeur ajoutée en biotechnologie.Au cours de ce travail de thèse, le métabolisme de la bactérie Escherichia coli K-12 MG1655 a fait l’objet d’une étude approfondie visant à mieux comprendre comment celui-ci permet à la bactérie de s’adapter à différentes contraintes. La première est nutritionnelle. En présence de plusieurs sources de carbone (glucose et acétate), il a été mis en évidence une consommation simultanée de ces deux sources de carbone lors d'une croissance exponentielle sur un excès de glucose, contrairement à ce qui est généralement considéré pour ce microorganisme. Les données obtenues montrent aussi que la voie Pta-AckA seule est capable de soutenir à la fois la production et la consommation d'acétate en cas d'excès de glucose. La carence en fer, un oligoélément essentiel pour la bactérie a aussi été étudiée et comparée au taxon « B2 » qui regroupe des E. coli dites commensales mais aussi pathogènes. Les résultats démontrent une grande disparité entre les souches K12 et B2 ; ces dernières résistant mieux à des carences en fer. Une similitude métabolique a pu être observée puisque les premières enzymes métaboliques impactées sont localisées dans la voie des acides aminés branchés.Enfin, une contrainte métabolique résultant d’une mutation génétique localisée dans le gène ilvG des souches E. coli K-12 MG1655 a été étudiée. Il s’agit d’un gène codant pour une enzyme de voies métaboliques complexes et centrales pour la biosynthèse des acides aminés branchés (valine, leucine et isoleucine). Ces derniers représentent 20% de la composition des protéines en acides aminés. Cette étude s’est appuyée sur des approches quantitatives de métabolomique et de fluxomique pour l’analyse fonctionnelle des réseaux métaboliques basées essentiellement sur la spectrométrie de masse et la résonance magnétique nucléaire (RMN). Des méthodologies de RMN dédiées à ce type d’approches ont été développées au cours de ce travail de thèse. L’ensemble des résultats obtenus sur ce volet a permis d’apporter de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de la voie des acides aminés branchés en particulier, et sur les mécanismes de sa régulation. Décrite comme dépendante des concentrations en valine, leucine et isoleucine, sa régulation est en fait bien plus complexe. D’autres mécanismes de contrôle métabolique, mis en évidence au cours de la thèse (excrétion du propionate, activité promiscuitaire des AHAS) contribuent également au maintien de l’homéostasie dans cette partie du métabolisme.