Le rôle évolutif des capsules dans l’adaptation bactérienne – ENCAPSULATION

La capsule bactérienne est une couche entourant certaines bactéries, c’est un facteur de virulence important présent chez la plupart de pathogènes facultatifs. Elle permet aux bactéries de résister à de nombreux stress, inclus la résistance aux antibiotiques. Nous avons précédemment montré que les espèces capsulées sont de meilleures colonisatrices et qu’elles dominent dans la plupart des environnements. En favorisant la colonisation et l'adaptation à des environnements rudes, les conditions d'expression de la capsule sont les mêmes que celles qui favorisent des taux élevés d'échanges génétiques. Par conséquent, on s'attendrait à une association positive entre la présence de capsules et les taux de transfert horizontal de gènes et de recombinaison homologue. Cela va à l'encontre d'études faites sur Streptococcus pneumoniae suggérant que les capsules diminuent le transfert d'information génétique entre cellules, vraisemblablement parce qu'elles constituent une barrière physique à l'acquisition d'ADN. Cependant, nos études préliminaires montrent que les capsules codant des espèces ont plus, pas moins, d'éléments génétiques mobiles, y compris les prophages et les plasmides. Ces résultats surprenants ont stimulé cette proposition de recherche pour élucider le rôle que jouent les capsules dans l'évolution des espèces bactériennes.

L'hypothèse principale de ce projet est que les capsules bactériennes jouent un rôle important dans l'adaptation bactérienne. Les capsules sont bénéfiques pour les cellules, mais elles devraient également imposer un coût important. Cependant, ce coût précis de la production de capsules dans des environnements pertinents a rarement été évalué et la plupart des questions éco-évolutives sur les capsules n'ont pas encore été explorées.

Nous utiliserons Klebsiella pneumoniae comme bactérie modèle. C'est un pathogène nosocomial résistant à multiples antibiotiques et causant des infections pulmonaires, urinaires et hépatiques. Nos objectifs sont de :
(i) Quantifier les coûts métaboliques et de fitness à court terme de la capsule. Pour cela, nous allons générer un panel de mutants isogéniques et évaluer leur indice compétitif par rapport à leur variant capsulé. Cela sera mis en relation avec l'épaisseur de la capsule et les niveaux d'expression des gènes impliqués dans sa production et sa sécrétion. En parallèle, nous évaluerons le rôle potentiel des capsules en tant que réservoir de nutriments dans des conditions de famine.
(ii) Comprendre comment les capsules affectent l'adaptation bactérienne à de nouveaux environnements à travers des centaines de générations (micro-évolution). Nous entreprendrons une expérience d'évolution à moyen terme et analyserons les mutations qui vont apparaitre à travers les différents environnements et les comparerons à celles observées dans des populations naturelles.
(iii) Déterminer le rôle des capsules dans le transfert génétique et l'évolution des génomes à long terme (macro-évolution). Nous calculerons les taux de transfert génétique chez les espèces avec et sans capsules et l'accumulation d'éléments génétiques mobiles et de gènes de résistance aux antibiotiques dans ces génomes.

Ce projet multidisciplinaire combinant la biologie expérimentale et computationnelle fournira un aperçu global, à des multiples échelles de temps, de l'intéraction entre les capsules et le transfert génétique et comment elles affectent l'évolution du génome à court, moyen et long terme. Ce projet fournira également une analyse complète des coûts et des avantages de la production de capsules dans un large éventail d'environnements qui reflètent le tropisme d'un pathogène facultatif qui est devenu un très grave problème de santé publique en France. Pour conclure, ce projet contribuera au développement de méthodes pour identifier les tendances adaptatives des bactéries et les utiliser pour prédire leur évolution dans la nature.