Thèse Elucidation de la Voie de Dégradation de l'Homarine dans les Océans H/F

Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health

Établissement : Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health
École doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
Laboratoire de recherche : Génomique métabolique - DRF/JACOB/Génoscope
Direction de la thèse : Alain PERRET ORCID 0000000288961978
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-23T23:59:59

Contexte : La production biologique primaire dans les océans exerce un contrôle fort sur le CO2 atmosphérique. Le phytoplancton transforme chaque jour 100 millions de tonnes de CO2 en des milliers de métabolites différents. La plupart de ces molécules sont labiles et retransformées en CO2 en quelques heures/jours. Les boucles de rétroaction climat-carbone médiées par ce réservoir de carbone organique dissous (COD) labile dépendent de ce réseau de microbes et de métabolites. La résilience de l'océan face aux changements planétaires (comme l'augmentation de la température et l'acidification) dépendra donc de la façon dont ce réseau réagit à ces perturbations.
En raison de sa courte durée de vie, ce pool de COD labile est difficilement observable. Ces métabolites constituent pourtant les voies les plus importantes dans l'océan du transport du carbone et sont assimilés par les bactéries marines comme sources de carbone et d'énergie. La connaissance des principales voies métaboliques (des gènes aux métabolites) est donc nécessaire pour modéliser les flux de carbone dans les océans. Pourtant, la diversité de ces molécules reste largement inexplorée et nombre d'entre elles n'ont pas de voies biosynthétique et/ou catabolique annotées. C'est le cas de l'homarine (N-méthylpicolinate), un composé abondant dans les océans. La teneur en homarine peut atteindre 400 mM chez la cyanobactérie marine Synechococchus qui contribue entre 10 et 20 % de la production primaire nette mondiale. L'homarine est probablement un métabolite important dans le cycle du carbone.
Projet : nous proposons d'élucider la voie de dégradation de l'homarine dans les océans.
Ruegeria pomeroyi DSS-3 (DSS-3) est une bactérie aérobie appartenant au clade marin des Roseobacter. Ce groupe représente environ 20 % du plancton bactérien de la couche mixte côtière et océanique. En laboratoire, DSS-3 peut utiliser l'homarine comme seule source de carbone et d'azote. Toutefois, les gènes, les enzymes et les intermédiaires métaboliques impliqués dans ce processus ne sont pas caractérisés.
Une analyse comparative de données de RNAseq, obtenues à partir de cultures de DSS-3 cultivées avec de l'homarine ou du glucose (condition contrôle) comme source de carbone, a permis d'identifier des gènes candidats potentiellement impliqués dans la voie de dégradation de l'homarine et de proposer une voie d'assimilation de l'azote issu de cette molécule. L'étude de cette voie a été aussi initiée par une approche métabolomique par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à très haute résolution (LC-HRMS). La comparaison des profils métaboliques de cellules cultivées sur glucose et sur homarine a permis de conforter nos hypothèses concernant l'assimilation de l'azote de l'homarine.
En revanche, les étapes enzymatiques conduisant à la formation de composés directement assimilables comme sources de carbone restent inconnues. L'identification des catabolites de l'homarine détectés par LC-HRMS constituera une étape clé pour proposer une voie métabolique complète. En parallèle, la construction de mutants de DSS-3 pour les gènes candidats permettra d'établir un lien fonctionnel entre ces gènes et les différentes étapes de la voie de dégradation de l'homarine, en corrélant l'inactivation génétique à la disparition ou à l'accumulation d'intermédiaires métaboliques spécifiques détectés par métabolomique. Enfin, les gènes candidats ont été clonés en vue de leur expression recombinante dans E. coli, et les protéines correspondantes ont été purifiées. Des tests d'activité enzymatique permettront de valider les hypothèses formulées et de reconstituer l'ensemble de la voie de dégradation de l'homarine in vitro.
L'analyse de l'expression de ces gènes dans les données métagénomiques et métatranscriptomiques du projet Tara Océans constituera une première étape pour évaluer l'importance écologique de cette voie et préciser le rôle de l'homarine dans le cycle biogéochimique du carbone.

Ce sujet de thèse est proposé par le Laboratoire de Génomique et Biochimie du Métabolisme (LGBM). Il s'inscrit dans une collaboration avec Le Laboratoire d'Analyse Génomique des Eucaryotes (LAGE) au sein du Genoscope (Institut de Biologie François Jacob du CEA) et dans le cadre de son unité de recherche (UMR 8030 Génomique Métabolique CEA/UEVE/CNRS).
Le LAGE participe au projet Tara Océans (1) qui étudie, via des données de séquençage, les écosystèmes marins planctoniques à partir d'échantillons collectés dans tous les océans du globe (le plancton joue un rôle essentiel dans la vie de la planète, réalisant par exemple la moitié de la photosynthèse totale). De son côté, le LGBM vise à déterminer expérimentalement la fonction des gènes et à compléter/découvrir des voies métaboliques (2).
Les métabolites microbiens et leur métabolisme dans les océans participent de façon majeure au cycle géochimique du carbone. La connaissance des voies métaboliques impliquées dans ces processus permettrait à terme de modéliser le flux du carbone au sein des diverses voies métaboliques et d'estimer la contribution relative de ces microorganismes.
C'est dans ce contexte que les deux laboratoires s'intéressent à l'homarine, un composé abondant dans les océans (3), mais dont le métabolisme reste inconnu.
Dans ce projet de thèse, nous voulons élucider sa voie de dégradation (bactérienne) au sein d'une bactérie abondante dans les océans et connue pour utiliser l'homarine comme source de carbone.
Dans un projet connexe Le LAGE s'intéresse à la voie de biosynthèse (eucaryote) de l'homarine, chez une algue également abondante dans les océans, Pelagomonas calceolata, cultivée et séquencée au laboratoire (4).
Lorsque les deux voies (anabolique et catabolique) seront élucidées, il sera possible d'utiliser les données de métagénomique et métatranscriptomique du projet Tara Océans pour commencer à modéliser les flux métaboliques (biosynthèse et dégradation) de l'homarine au sein des océans.

Ce projet contribue à explorer la diversité des réactions chimiques catalysées par les organismes vivants, en mettant au jour une voie métabolique complète (des gènes aux métabolites). L'élucidation de cette voie métabolique permettra de mieux comprendre le rôle des microorganismes marins dans le cycle géochimique du carbone et de l'azote.

- RNAseq sur la bactérie modèle cultivée sur différentes sources de carbone et d'azote (homarine vs glucose).
- Métabolomique sur la bactérie modèle cultivée sur différentes sources de carbone et d'azote (homarine vs glucose).
- Identification de métabolites nouveaux par LC-HRMS et/ou RMN.
- Création de mutants ciblés dans la bactérie marine Ruegeria pomeroyi DSS-3.
- Caractérisation des enzymes candidates en exploitant les données de métabolomique.
- Reconstitution de la voie métabolique in vitro.
- Analyses de données métagénomiques et métatranscriptomiques.