Caractérisation in situ du contenu génomique de virus d’archées méthanogènes au sein de bioprocédés de fermentation de déchets organiques – VIRAME

Etablir le lien entre un virus et l’identité de son hôte au sein d’écosystèmes complexes est un défi puisqu’ils ne partagent pas toujours de gènes. Pour lever ce verrou, le lien entre voies de méthanogénèse actives, archées les catalysant et contenu génomique des virus infectant ces archées sera établi grâce à une approche intégrée originale couplant des techniques de pointe en écologie moléculaire (métagénomique, isotopie, en particulier « Stable isotope probing » SIP), ainsi que des analyses in silico classiques (génomique comparative) et spécifiques (analyse de CRISPR spacers, de provirus, composition en kmers). Le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes sera étudié au sein de microcosmes répliqués et des métaviromes de méthaniseurs de déchets seront également comparés à ceux des microcosmes. La diversité des familles virales et les gènes dont les fonctions sont liées au cycle de vie des virus et à l’écophysiologie des archées méthanogènes seront notamment examinés.Sur le plan expérimental, des conditions spécifiques et l’utilisation de divers substrats carbonés, marqués ou non au 13C, permettront d’activer sélectivement différentes voies de méthanogenèse puis d’identifier virus et cellules ayant incorporé du 13C.

A ce stade, la preuve de concept de l'application du SIP aux ADN viraux a été établie avec succès sur un système modèle de cultures de souches pures.
En effet, de l'ADN du bactériophage T4, obtenu par infection de cultures de la bactérie Escherichia coli sur milieu minimum contenant du 13C-glucose, a été analysé par SIP. Il présentait une densité massique plus élevée par rapport au cas où un milieu minimum contenant du 12C-glucose (non-marqué) avait été utilisé.
Ceci démontre l'incorporation de carbone 13 dans l'ADN viral, via l'utilisation d'un substrat marqué au carbone 13 consommé par l'hôte cellulaire du virus. Cela ouvre la perspective de pouvoir tracer, au sein d'écosytèmes complexes, les virus infectant des hôtes cellulaires qui assimilent un substrat particulier.

L’approche intégrée originale, incluant le SIP appliqué aux acides nucléiques viraux, contribuera à lever un verrou important en écologie microbienne, établir le lien entre un virus et son hôte. Les connaissances générées sur la diversité génomique des virus d’archées méthanogènes participeront de plus à une meilleure compréhension de l’histoire évolutive des virus et leurs hôtes. Les résultats seront d’intérêt général pour l’amélioration des bioprocédés de méthanisation, en plein essor : les virus des méthanogènes ont certainement un effet important sur les flux de matières et sur la dynamique des méthanogènes, un groupe fonctionnel clé. Concernant les applications de bioraffinerie, le projet VIRAME vise à proposer des stratégies innovantes de biocontrôle des archées méthanogènes par les virus ou leurs constituants, en s’inspirant des domaines les plus avancés (médecine) et en imaginant, grâce aux résultats du projet, une transposition au domaine des bioprocédés. Le méthane étant un gaz à effet de serre puissant, le biocontrôle des méthanogènes offre de larges perspectives d’application (ex : mitigation des émissions de méthane par les ruminants) et peut avoir un fort impact environnemental.

Communication orale sur les profils de k-mers dans les génomes de cellules, virus et plasmides au sein du domaine Archaea, Ariane Bize, Viruses of Microbes, 2018 (Pologne, juillet 2018, meetings.embo.org/event/18-virus-microbe)

Les déchets organiques solides sont une ressource prometteuse pour la production de biocarburants et synthons par des bioprocédés anaérobies. Cependant, leur matrice complexe, hétérogène et variable dans le temps rend leur valorisation complexe : la bioraffinerie des déchets est en phase de recherche exploratoire. Pour orienter les voies de fermentation et établir des procédés stables, de nouveaux leviers opérationnels sont nécessaires. Aussi, les virus de microorganismes pourraient servir de base au développement d’outils de biocontrôle ciblant spécifiquement certains groupes fonctionnels microbiens. Dans d’autres domaines (médical, agro-alimentaire, épuration des eaux usées), des virus sont en effet déjà utilisés ou considérés dans une optique de biocontrôle. Concernant la bioraffinerie des déchets, les archées méthanogènes nuisent à la production de molécules à plus haute valeur ajoutée que le méthane mais leurs virus sont encore peu connus, si bien que le développement de telles stratégies de biocontrôle n’est aujourd’hui pas possible.
Le projet VIRAME vise donc à caractériser in situ le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes dans les bioprocédés anaérobies de valorisation des déchets organiques. Etablir le lien entre un virus et l’identité de son hôte au sein d’écosystèmes complexes est un défi puisqu’ils ne partagent pas toujours de gènes. Pour lever ce verrou, le lien entre voies de méthanogénèse actives, archées les catalysant et contenu génomique des virus infectant ces archées sera établi grâce à une approche intégrée originale couplant des techniques de pointe en écologie moléculaire (méta-omiques, isotopie, en particulier « Stable isotope probing » SIP) et des analyses in silico classiques (génomique comparative) et spécifiques (analyse de CRISPR spacers, de provirus, composition en kmers). Le contenu génomique de virus d’archées méthanogènes sera étudié au sein de microcosmes répliqués et des métaviromes de méthaniseurs de déchets seront également comparés à ceux des microcosmes. La diversité des familles virales et les gènes dont les fonctions sont liées au cycle de vie des virus et à l’écophysiologie des archées méthanogènes seront notamment examinés.
Sur le plan expérimental, des conditions spécifiques et l’utilisation de divers substrats carbonés, marqués ou non au 13C, permettront d’activer sélectivement différentes voies de méthanogenèse puis d’identifier virus et cellules ayant incorporé du 13C. Des inocula issus de méthaniseurs industriels seront employés. L’équipe d’origine du coordinateur a déjà accumulé et publié des données mettant en évidence l’incorporation de substrats marqués au 13C par les archées méthanogènes, dans des microcosmes inoculés avec de telles biomasses et similaires à ceux qui seront établis pour ce projet.
L’approche intégrée originale, incluant le SIP appliqué aux acides nucléiques viraux, contribue à lever un verrou important en écologie microbienne, établir le lien entre un virus et son hôte. Les connaissances générées sur la diversité génomique des virus d’archées méthanogènes participeront de plus à une meilleure compréhension de l’histoire évolutive des virus et leurs hôtes. Les résultats seront d’intérêt général pour l’amélioration des bioprocédés de méthanisation, en plein essor : les virus des méthanogènes ont certainement un effet important sur les flux de matières et sur la dynamique des méthanogènes, un groupe fonctionnel clé. Concernant les applications de bioraffinerie, le projet VIRAME vise à proposer des stratégies innovantes de biocontrôle des archées méthanogènes par les virus, en s’inspirant des domaines les plus avancés (médecine) et en imaginant, grâce aux résultats du projet, une transposition au domaine des bioprocédés. Le méthane étant un gaz à effet de serre puissant, le biocontrôle des méthanogènes offre de larges perspectives d’application (ex : mitigation des émissions de méthane par les ruminants) et peut avoir un fort impact environnemental.