Firmicutes avec une membrane externe: vers des nouveaux modeles d'étude de la transition monodermes/didermes – Fir-OM

L'enveloppe bactérienne est un constituant cellulaire impliqué dans des fonctions de maintenance essentielles, telles que l'intégrité physique, la division cellulaire, la motilité, l'import et la sécrétion de composés, la communication cellulaire. C'est également un facteur clé de la pathogénie bactérienne, car elle est impliquée dans l'adhésion, la formation de biofilms, la sécrétion de facteurs de virulence et la résistance aux substances antimicrobiennes. Et portant les bactéries présentent des différences substantielles au niveau de l'architecture de leur enveloppe cellulaire, parmi lesquelles la plus remarquable est celle de posséder une membrane (monodermes) ou deux membranes (didermes). Comment et pourquoi la transition entre ces architectures s'est produite reste à ce jour l'une des questions majeures non résolues en biologie évolutive.

Les Firmicutes représentent un des plus grands phylums bactériens, et sont utilisés classiquement pour illustrer l'enveloppe cellulaire de type Gram positive (monoderme), caractérisée par une membrane unique avec un peptidoglycane épais. De manière surprenante, un groupe de Firmicutes -les Negativicutes- possède une enveloppe cellulaire de type diderme avec une membrane externe (OM) contenant du LPS, tout comme Escherichia coli, mais aussi des caractéristiques uniques, comme par exemple l'utilisation d'un systeme original pour attacher la OM au peptidoglycane. Les Negativicutes sont très diversifiés. Ils ont été identifiés dans des environnements anaérobies très variés, et en particulier dans les microbiomes humains et animaux. Le représentant le mieux caractérisé est Veillonella, un pathogène humain abondant de la flore orale humaine, qui est responsable de parodontite et autres infections systémiques. Cependant, peu de données sont disponibles concernant la physiologie et les caractéristiques cellulaires de Veillonella et des autres Negativicutes. De plus, nous avons collecté des données préliminaires indiquant la présence d'une membrane externe chez d'autres Firmicutes, comme les Halanaerobiales une lignée profonde de ce phylum. Ces groupes de Firmicutes possédant un phénotype de type diderme mais phylogénétiquement proches de lignées monodermes représentent un puzzle évolutif, et leur origine demeure mystérieuse. Ils représentent des modèles exceptionnels pour étudier la diversité, le fonctionnement et les transitions évolutives des enveloppes bactériennes.

Avec le projet FIR-OM, nous allons réaliser la première caractérisation génomique et phénotypique de ces lignées firmicutes largement méconnues par une combinaison originale d'approches expérimentales (culture, microscopie, protéomique, génétique) et in silico (séquençage, génomique comparée, phylogénomique). Une caractérisation expérimentale sera associée à une analyse phylogénomique globale à l'échelle des Firmicutes afin d’appréhender la diversité des enveloppes didermes dans ce phylum, comprendre leur origine et histoire évolutive, et étudier leur caractéristiques et fonction.

Nos résultats auront un impact à différents niveaux en microbiologie. Nous allons ouvrir une nouvelle voie de recherche sur un groupe bactérien très diversifié mais méconnu, ayant un rôle en santé humaine, mais dont les mécanismes d'actions restent à découvrir. Nos travaux fourniront des données nouvelles sur des types de enveloppes totalement nouvelles, permettront également d’accroître nos connaissances sur un des constituants cellulaires les plus anciens et les plus importants, et fourniront pour la première fois des données expérimentales permettant de discuter différents scénarios sur l'émergence des architectures cellulaires monodermes et didermes au cours de l'évolution des bactéries, et sur la nature de leur dernier ancêtre commun.