Thèse Exploration du Métabolisme Secondaire de Mycobacterium Tuberculosis Vers l'Identification de Nouvelles Molécules Clés Impliquées dans l'Adaptation au Stress et la Virulence H/F

Université de Toulouse

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : BSB - Biologie, Santé, Biotechnologies
Laboratoire de recherche : IPBS - Institut de Pharmacologie et Biologie Structurale
Direction de la thèse : Virginie PUECH-PAGES ORCID 0000000341137970
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

Contrairement aux métabolites primaires indispensables à la croissance en conditions standards, les métabolites secondaires confèrent un avantage compétitif aux bactéries en leur permettant de coloniser des niches particulières. Dans le contexte des interactions bactérie pathogène-hôte, de nombreux métabolites secondaires sont décrits pour jouer un rôle direct dans la capacité d'une bactérie pathogène à infecter, coloniser ou persister chez son hôte. Ces métabolites sont de petites molécules (en général de poids moléculaire inférieur à 1000 Da) de polarité intermédiaire et appartenant aux familles des polykétides (PKS), terpenoides, peptides non-ribosomiques (NRPS) et hybrides polykétide-peptides non-ribosomiques (NRPS/PKS).
Le succès de Mycobacterium tuberculosis, responsable de millions de cas de tuberculose chaque année, repose en grande partie sur sa capacité à résister aux réponses immunitaires et conditions hostiles rencontrées chez son hôte humain. Les métabolites produits par M. tuberculosis ont essentiellement été étudiés dans des conditions de culture standards. Le métabolisme secondaire ou spécialisé, en général silencieux ou peu actif dans ces conditions, est donc encore peu caractérisé pour M. tuberculosis. L'identification et la caractérisation fonctionnelle des métabolites secondaires pourraient permettre de mieux comprendre les mécanismes de la pathogénie du bacille et d'inspirer des pistes thérapeutiques ou vaccinales inédites.
Ce projet de recherche vise donc à explorer le répertoire des métabolites secondaires produits par M. tuberculosis dans différentes conditions de cultures grâce à l'utilisation des approches métabolomiques de dernière génération. Pour cela, des cultures de M. tuberculosis (souches sauvages ou mutants de gènes candidats pour la biosynthèse de métabolites secondaires) seront réalisées en conditions standard et de stress mimant les conditions d'infection (anaérobie, limitation en nutriment, stress oxydatif ou pH acide) puis les métabolites seront extraits et analysés par métabolomique globale basée sur la spectrométrie de masse (MS). Les extraits seront analysés grâce à des workflows préalablement validés de type HPLC-UV-HRMS (chromatographie couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution et à la détection UV), en MS et MS/MS, sur la plateforme Toulousaine Metatoul-Agromix (LRSV). Les analyses statistiques permettront de mettre en évidence les métabolites d'intérêt, dits de type secondaires, dont la production est induite par les conditions de stress. Leur nature pourra être identifiée directement grâce à l'interrogation de bases de données. Concernant les métabolites non-annotés, les plus pertinents seront purifies et soumis à des analyses structurales de type MS, MSMS et RMN. Des analyses préliminaires des métabolites bactériens libérés dans le milieu de culture ont mis en évidence des signatures métaboliques spécifiques de la souche virulente et/ou des conditions de culture permettant de dresser une liste préliminaire de métabolites d'intérêt.
Enfin, les propriétés biologiques des molécules d'intérêt mises en lumière et leur rôle dans la physiologie et la virulence du bacile seront caractérisées en combinant différentes approches. Des bio-essais in vitro seront réalisés pour étudier l'interaction du métabolisme secondaire bactérien sur les fonctions du macrophage (profile cytokinique, autophagie, activation des récepteurs), en utilisant des molécules purifiées, des analogues ou les souches mutantes des gènes candidats du métabolisme secondaire. Le rôle de ce métabolisme dans les capacités d'adaptation du bacille sera également évalué en comparant la croissance en conditions de stress ou d'infection cellulaire des souches mutantes et sauvages.
Les candidats transmettront à minima leur CV (avec références), leur relevé de note par matière (Bac +3 à 5) et leur lettre de motivation à : ****@****.** et ****@****.**

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is extremely successful in establishing a chronic infection in humans. The worrisome emergence of multidrug- and extensively drug-resistant Mtb strains and the synergy with AIDS epidemic maintain the tuberculosis (TB) as a top public health priority. Indeed, according to the 2025 report of the World Health Organization, tuberculosis (TB) remained one of the top 10 causes of death worldwide with 1.23 million deaths in 2024. Obviously, the current means to combat TB have not been sufficient to control the TB epidemic and the need for new interventions is urgent. The only existing vaccine, the Bacillus Calmette and Guérin (BCG) derived from M. bovis, has a protective efficacy against pulmonary tuberculosis in adults that ranges from 0-80%. The diagnostic of active TB based on chest X-ray and testing sputum specimens by smear examination takes an average of 3 weeks under optimal conditions to confirm Mtb infection, with additional 3-4 weeks for drug susceptibility testing, and suffers of high false negative rate. Lastly, the current TB chemotherapy consists in a multidrug regimen for at least 6 months associated to a toxicity that is difficult to combine with anti- HIV treatment.
In 90% cases of infection, the classical immunologic scheme fails to completely eradicate the bacteria but controls its dissemination. Instead, Mtb persists in a dormant state for decades within a cellular structure called granuloma and remains poised to reactivate and to cause an active TB in situation of immunologic failure, such as HIV infection or immunosuppressive medication. Indeed, Mtb has evolved strategies to manipulate host immune responses and to adapt to hostile conditions met within macrophages. Infected naïve macrophages are notably severally disabled showing a delay in their activation and anti-microbial responses in animal models infected by Mtb compared to other infections. The outcome of Mtb infection is dictated by a fine equilibrium between host immune responses and Mtb's strategies of evasion, which is not completely understood at the molecular level.
The study of bacterial secondary metabolism is of particular importance in the context of host-pathogen interactions. Indeed, many secondary metabolites play a direct role in a pathogen's ability to infect, colonize, and persist in the host. These compounds can act as virulence factors, modulating the host's immune response, facilitating evasion of defenses, or contributing to tissue destruction. For example, some toxins, siderophores, or immunomodulatory molecules produced by pathogenic bacteria originate from secondary biosynthetic pathways. The genome of M. tuberculosis reveals several so-called 'cryptic' biosynthetic clusters, meaning that their products have not yet been identified. Among these, several are annotated as encoding polyketide synthases (PKS), or non-ribosomal peptide synthases (NRPS), and hybrid systems. Furthermore, in vitro enzymatic assays or heterologous expression of mycobacterial candidate genes allows the production of molecules that are structurally related to secondary metabolites. Mtb therefore possesses the biosynthetic machinery for secondary metabolites. However, the natural repertoire of M. tuberculosis secondary metabolites has not yet been explored.

The development of this project will involve:
-performing cultures (bacteria, macrophages and cell lines) and cell infection in BioSafety Level 3 laboratory
-bacteria gene expression measurement and eventually genetic manipulation of mycobacteria.
-global metabolomic approach relying on last generation mass spectrometry approaches of the MetaToul platforms
- several chromatography approaches to purify biomolecules
-structural characterization of purified molecules using tandem mass spectrometry and NMR
-performing vitro biossays: bacteria phenotyping, macrophage responses to molecules of interest (cytokines, autophagy, cytotoxicity...)