Laboratoire de génomique et biochimie du métabolisme

Préambule
 
  L’élucidation de l’ensemble des conversions métaboliques dans un organisme prototrophe (1) demeure un objectif fondamental dans la compréhension des processus vitaux. La connaissance de cet ensemble est un préalable à une véritable modélisation prédictive des flux de matière et d’énergie dans les cellules, de leur intégration et de leur régulation. Il est souvent admis que l’inventaire des étapes de bio-conversion est pratiquement complet. Des observations, même superficielles, des outils de représentation des données métaboliques (KEGG, BioCyc) montrent qu’il n’en est rien et qu’il existe des activités enzymatiques orphelines de gènes. L’accès à la séquence et donc à l’ensembles des gènes des génomes complets (plus de 300 génomes bactériens séquencés à ce jour) peut à présent être mis à profit pour procéder à un réexamen approfondi des fonctions métaboliques d’un organisme bactérien.
 

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Acinetobacter baylyi : un nouveau modèle pour l’étude du métabolisme bactérien
 

A la suite d’un inventaire approfondi des espèces décrites dans la littérature, il nous est apparu que l’espèce Acinetobacter baylyi, isolée du sol, présente des avantages réels pour la considérer comme un modèle d’étude de métabolisme bactérien. A. baylyi est le microorganisme doté de la capacité de transformation par de l’ADN exogène la plus élevée (compétence (2) naturelle). Cette propriété associée à sa capacité à faire de la recombinaison homologue (3), rend les modifications génétiques très aisées. C’est un processus d’échange ciblé (mutagénèse dirigée) qui permet de modifier spécifiquement une information génétique en un locus donné.

A. baylyi fait partie des gamma protéobactéries comme E. coli avec qui elle partage 46% des gènes. De plus elle possède quelques avantages décisifs sur E. coli (lien vers page organisme) : compétence naturelle, croissance plus rapide sur milieu minimum et pas d’ambiguité métabolique (aérobie stricte).
 
 

Mise en place de ressources pour l’étude systématique du génome d’A. baylyi
 

Séquençage et annotation du génome
  Afin de disposer d’un modèle génétique plus manipulable qu’E. coli, nous donc avons entrepris un travail d’analyse systématique du génome d’A. baylyi en vue d’approfondir et de compléter la connaissance des fonctions métaboliques. Dans ce but, le séquençage du génome d’A. baylyi a été réalisé au Genoscope puis annoté avec la participation d’experts du métabolisme bactérien (V. Barbe et al., 2004). Parmi les 3205 CDS (4) annotés, 36% ont une fonction connue, 28% une fonction " probable " et 36% n’ont pas de fonction associée. Cette première analyse a montré en autre que le génome d’A. baylyi plus simple que celui d’ E. coli renferme moins de duplications de gènes. Ceci devrait notablement simplifier l’analyse phénotypique de mutants. Un effort particulier a été apporté sur la reconstruction des voies métaboliques de cette bactérie.
 

Etablissement d’une collection de mutants de remplacement
  L’analyse systématique s’est poursuivie par l’établissement d’une collection de mutants de remplacement pour chaque CDS identifié lors de l’annotation du génome. Sur les 3 205 CDS, 2 594 mutants de remplacement ont été obtenus (81%). Nous n’avons pas pu obtenir de mutants avec une structure correcte pour 499 gènes qui constituent donc l’ensemble des candidats de gènes essentiels à la vie d’ADP1 en milieu minimum.

Représentation circulaire du génome d’A. baylyi. (Rouge et bleu) : gènes localisés sur le brin (+) et le brin (-). (Vert) : gènes pour lesquels un mutant a été obtenu. (Noir) : gènes pour lesquels aucun mutant n’a été obtenu. (Bleu clair) : enzymes appartenant à une voie de biosynthèse.

Différentes approches pour revisiter le métabolisme

Le but du projet Thesaurus métabolique est de revisiter le métabolisme d’A. baylyi et notamment de compléter la connaissance des fonctions enzymatiques de la cellule. Dans un premier temps, nous nous intéressons en particulier au métabolisme du carbone. En s’appuyant sur la banque de mutants, nous allons générer des hypothèses sur la fonction de certains gènes en couplant des données expérimentales avec la connaissance actuelle du métabolisme (issue de l’annotation experte) et des analyses bio-informatiques telles que la conservation de synténie (5) ou la recherche de motifs ou domaines protéiques. En particulier, nous nous attacherons à regrouper les mutants dans un même contexte métabolique en s’appuyant sur des données de phénotypes de croissance et de profils métaboliques.

Ce type d’analyses devrait permettre d’obtenir des informations sur un certain nombre de gènes "candidats" d’une fonction métabolique inconnue. En fonction de ces informations, nous pourrons, soit tester l’activité enzymatique supposée de la protéine codée par le gène, soit tenter d’identifier des métabolites différenciant la souche sauvage du mutant, témoin de l’activité enzymatique réalisée par le produit du gène " candidat ".
 

Glossaire :
(1) Organisme prototrophe : organisme qui synthétise lui-même les substances nécessaires à sa survie.
(2) Compétence (d’une bactérie) : capacité d’une bactérie à incorporer de l’ADN étranger.
(3) Recombinaison homologue  : processus d’échange entre deux régions d’ADN identiques.
(4) CDS : Coding DNA Sequence.
(5) Synténie  : localisation sur un même chromosome d’un même locus dans différentes espèces (ici dans le texte), ou de plusieurs locus différents d’une même espèce (définition tirée de "Biologie moléculaire et médecine", JC. Kaplan & M. Delpech, 2ème édition, Flammarion Médecine-Sciences).

Collaborations :

• Équipe AGC
• Équipe Réseaux métaboliques
• Georges Cohen (Directeur de recherche émérite, CNRS)