Sporulation capability and metabolic mechanisms of endospore-forming Firmicutes under conditions limiting for growth and survival - Filippidou, Sevasti (My University, 2016)
La vie, telle que nous la connaissons, possède des limites physiques et chimiques. Plus précisément, des paramètres environnementaux physiques et chimiques limitent la reproduction, le métabolisme et la survie des organismes vivants décrits à ce jour. Des conditions environnementales défavorables à la survie et au développement biologique sont la règle plutôt que l'exception dans la plupart des habitats. Les microorganismes ont cependant développé différentes stratégies pour résister aux conditions environnementales qui limitent leur croissance. Parmi ces microorganismes, le groupe des Firmicutes endosporulantes présente de nombreuses stratégies pour résister à ces contraintes environnementales, allant de l'état de dormance (endospore), à la formation de biomembranes en passant par l'adaptation métabolique. Ces stratégies sont un investissement biologique coûteux pour les organismes et par conséquent, peuvent influencer leur succès.
Les Firmicutes endosporulantes ont été isolées dans des environnements variés, y compris dans des habitats extrêmes. Paradoxalement, dans les études de diversité elles sont, soit absentes de ces environnements, soit elles représentent une faible fraction de la communauté microbienne. A l'aide d'une analyse de profil du gène spo0A, un gène spécifique des Firmicutes endosporulantes, nous avons montré que ces dernières ne pouvaient pas être détectées dans les métagénomes publiques disponibles, et ce malgré le fait que plusieurs de ces métagénomes étaient issus d'habitats connus pour abriter des Firmicutes endosporulantes. Nous avons mis en évidence que ce biais était dû au fait que les approches méthodologiques couramment utilisées étaient inefficaces. De plus, nous avons démontré expérimentalement qu'une extraction d'ADN optimisée permettait d'améliorer la détection de Firmicutes endosporulantes par séquençage d'amplicon. Cependant ce n'était pas le cas pour le séquençage shotgun. Bien que ce groupe bactérien soit connu pour sa capacité à coloniser tous les habitats sur Terre, les Firmicutes endosporulantes ne sont pas fréquemment retrouvées dans tous les habitats. Leurs stratégies de survie étant énergétiquement coûteuses, elles ne deviennent un avantage uniquement lorsque plusieurs contraintes physiques et chimiques sont présentes. Les conditions extrêmes favorisent la présence des stratégies de survie déployées par les Firmicutes endosporulantes.
Plus spécifiquement, nous avons démontré que des conditions environnementales extrêmes étaient un facteur important pour l'apparition de la sporulation comme stratégie de survie. Deux nouvelles découvertes supportent cette hypothèse. Premièrement, nous avons montré que les conditions extrêmes étaient une force motrice de la sporulation pour une espèce qui n'était pas connue pour sporuler, Serratia ureilytica. Deuxièmement, nous avons démontré que la capacité de sporuler n'était pas perdue lorsqu'il y avait une pression environnementale. C'était le cas de Kurthia spp., un genre décrit jusqu'à présent comme asporogénique. L'ancêtre commun de Kurthia, une Firmicutes endosporulante, était capable de produire des spores, cependant cette capacité était considérée comme perdue dans la lignée de Kurthia. L'analyse génomique ainsi que des observations microscopiques d'une souche de Kurthia sp. isolée d'un réservoir géothermique ont révélé que la voie de sporulation n'avait pas été perdue et que Kurthia n'est pas un genre asporogénique mais un genre cryptosporulant.
La stratégie de survie de sporulation rend les Firmicutes endosporulantes capables de tolérer des conditions défavorables et de prospérer dans des environnements extrêmes. Une nouvelle espèce, Anoxybacillus geothermalis, a été découverte dans une niche écologique particulière, les réservoirs géothermiques. Cette souche a été remise en culture au laboratoire et nous avons émis l'hypothèse que cette souche était inactive dans le réservoir depuis le Permien. D'autres isolats appartenant à la même espèce ont également été découverts dans différents réservoirs géothermiques. Les environnements extrêmes permettent aux Firmicutes endosporulantes d'utiliser leur stratégie de sporulation mais également de tirer profit de leur grande diversité métabolique. L'analyse des processus d'oxydation du manganèse et de réduction du cuivre par les Firmicutes endosporulantes dans des environnements naturels et non contaminés a révélé que la tolérance aux métaux est un phénomène largement répandu dans les environnements non contaminés, y compris parmi des Firmicutes endosporulantes aérobies ne présentant pas de lien de parenté. Enfin, dans les milieux salins, ces deux stratégies de survie sont utilisées et génèrent une impressionnante diversité de Firmicutes endosporulantes.
En conclusion, l'utilisation de données biochimiques, génomiques, écologiques et environnementales a permis de mieux comprendre l'adaptation des Firmicutes endosporulantes aux environnements extrêmes., Life, as we know it, has physical and chemical limits. More precisely, physical and chemical environmental parameters set the thresholds for reproduction, metabolism and survival for the organisms known to date. Environmental conditions unsuitable for survival and development are the rule rather than the exception in most habitats. Microorganisms have developed various strategies to withstand environmental conditions that limit active growth. A microbial group that displays a large array of strategies to resist adversity is endospore‐forming Firmicutes. These strategies range from the formation of resting states (endospores), to biofilms and metabolic adaptation. These strategies are a costly biological investment and therefore might affect their success.
Endospore-forming Firmicutes have been isolated from various environments, including extreme habitats. Paradoxically, in diversity studies they are either absent from these environments or they represent a small fraction of the microbial community. Using a profile analysis of the spo0A gene, unique to endospore‐forming Firmicutes, we have shown that they cannot be found in publically available metagenomic datasets, despite the fact that many of these datasets correspond to well-known habitats for endospore‐forming Firmicutes. We have shown that this bias is likely due to the fact that commonly used methodological approaches are inefficient. Moreover, we have shown experimentally that an improved DNA extraction can improve detection in amplicon sequencing; however, this was not the case for shotgun classification. Although this group is known to colonize every habitat on Earth, endospore-firming Firmicutes are not prevalent in all habitats. Their energy-demanding survival strategies become an actual benefit only when multiple physical and chemical limits of life are present. Extremity favors the presence of the survival strategies deployed by endospore-forming Firmicutes.
More specifically, we have shown that extreme environmental conditions are an important factor for the survival strategy of sporulation to evolve. Two novel discoveries support this suggestion. Firstly, we have shown that extremity is a driving force for sporulation in a species that was not known to sporulate, Serratia ureilytica. Secondly, we demonstrated that the ability to sporulate is not lost when there is environmental pressure. That was the case of Kurthia spp. a previously known asporogenic genus. The common ancestor of Kurthia, and the endospore-forming Firmicutes was able to produce spores, however sporulation is considered to have been lost within the lineage of Kurthia. The genomic analysis and the microscopic observation of a Kurthia sp. strain isolated from a geothermal reservoir reveal that the sporulation pathway has not been lost, and that Kurthia is not an asporogenic but rather a cryptosporulating genus.
The survival strategy of sporulation makes endospore-forming Firmicutes capable of tolerating adverse conditions and thriving in extreme environments. A novel species that has a particular ecological niche in geothermal reservoirs was discovered; Anoxybacillus geothermalis was revived under laboratory conditions and is hypothesized to have remained inactive in the reservoir since the Permian age. More isolates belonging to the same species were also discovered in different geothermal reservoirs.
Extreme environments do not only allow endospore-forming Firmicutes to deploy their sporulation strategy but also their high metabolic diversity. Manganese oxidation and copper reduction of endospore‐forming Firmicutes in natural, uncontaminated environments, were studied leading to the conclusion that metal tolerance is a widespread phenomenon in unrelated aerobic endospore‐forming Firmicutes from natural uncontaminated environments. Finally, in saline habitats, both metabolic strategies are deployed, resulting in an impressive diversity of endospore‐forming Firmicutes. Biochemical, genomic, ecological and environmental data are pieces to fill in the puzzle of adaptations of endospore-forming Firmicutes in extreme habitats.
Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2016
Keywords: Ecologie Microbienne; Firmicutes; Firmicutes formatrices des endospores; sporulation; Kurthia : Serratia; Anoxybacillus geothermalis; Oxidation du Manganese; Resistance au Cuivre; Halophiles; Microbial Ecology; Firmicutes; endospore-forming Firmicutes; sporulation, Kurthia; Serratia; Anoxybacillus geothermalis; Manganese Oxidation; Copper Tolerance; Halophiles