Elucidation de la voie de dégradation de l’homarine dans les océans // Elucidation of the homarine degradation pathway in the oceans

Contexte :
La production biologique primaire dans les océans exerce un contrôle important sur le CO2 atmosphérique. Le phytoplancton transforme chaque jour 100 millions de tonnes de CO2 en des milliers de composés organiques différents (1). La majeure partie de ces molécules(sous forme de métabolites) est biologiquement labile et retransformée en CO2 en l'espace de quelques heures ou de quelques 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. En d’autres termes, la résilience de l'océan face aux changements planétaires (comme l’augmentation de la température et l’acidification) dépendra 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 microbiens 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 (2) et cet organisme ubiquitaire contribue entre 10 et 20 % de la production primaire nette mondiale (3). L’homarine, par son abondance, est probablement un métabolite important dans le cycle du carbone.

Projet :
Dans ce projet de thèse, nous voulons élucider la voie de dégradation de l’homarine dans les océans.
Ruegeria pomeroyi DSS-3 est une bactérie aérobie à Gram négatif, membre du clade marin Roseobacter. Ses proches parents représentent environ 10-20 % du plancton bactérien de la couche mixte côtière et océanique (4). En laboratoire DSS-3 peut utiliser l'homarine comme seule source de carbone, mais on ne dispose à ce jour d’aucune information sur les gènes et les catabolites impliqués dans ce processus.
L'analyse comparative d’expériences de RNAseq menées sur des cultures de DSS-3 cultivées avec de l'homarine ou du glucose (contrôle)comme source de carbone permettra de repérer les gènes candidats impliqués dans la voie de dégradation. En parallèle, cette voie sera étudiée via une approche métabolomique par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à très haute résolution. La différence de profil entre des métabolomes de DSS-3 provenant de cellules cultivées sur glucose comme source de carbone et ceux issus de cellules cultivées sur homarine aidera à détecter les catabolites de la voie. Enfin, les gènes candidats seront clonés pour une expression recombinante dans E. coli, les protéines correspondantes purifiées et leur activité caractérisée afin de reconstruire l'ensemble de la voie de dégradation de l'homarine in vitro.
L’analyse de l’expression de ces gènes dans les données du projet Tara Océans (5) sera la première étape pour mieux comprendre le rôle
de l'homarine dans le cycle du carbone.

Références :
(1) doi.org/10.1038/358741a0
(2) doi.org/10.1128/mSystems.01334-20
(3) doi.org/10.1073/pnas.1307701110
(4) doi.10.1038/nature03170
(5) https://fondationtaraocean.org/expedition/tara-oceans/
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Context:
Primary biological production in the oceans exerts significant control over atmospheric CO2. Every day, phytoplankton transform 100 million tonnes of CO2 into thousands of different organic compounds (1). Most of these molecules (as metabolites) are biologically labile and converted back into CO2 within a few hours or days. The climate-carbon feedback loops mediated by this reservoir of labile dissolved organic carbon (DOC) depend on this network of microbes and metabolites. In other words, the resilience of the ocean to global changes(such as temperature rise and acidification) will depend on how this network responds to these perturbations.
Because of its short lifespan, this pool of labile DOC is difficult to observe. Yet these microbial metabolites are the most important carbon transport pathways in the ocean and are assimilated by marine bacteria as sources of carbon and energy. Knowledge of the main metabolic pathways (from genes to metabolites) is therefore essential for modelling carbon flows in the oceans. However, the diversity of these molecules remains largely unexplored and many of them have no annotated biosynthetic and/or catabolic pathways. This is the case for homarin (N-methylpicolinate), an abundant compound in the oceans. Homarine content can reach 400 mM in the marine cyanobacterium Synechococchus (2) and this ubiquitous organism contributes between 10 and 20% of global net primary production (3).Because of its abundance, homarine is probably an important metabolite in the carbon cycle.

Project:
In this thesis project, we aim to elucidate the homarine degradation pathway in the oceans.
Ruegeria pomeroyi DSS-3 is a Gram-negative aerobic bacterium and a member of the marine Roseobacter clade. Its close relatives account for around 10-20% of the bacterial plankton in the mixed coastal and oceanic layer (4). In the laboratory, DSS-3 can use homarine as its sole carbon source but to date, there is no information on the genes and catabolites involved in this process.
Comparative analysis of RNAseq experiments conducted on DSS-3 cultures grown with homarine or glucose (control) as a carbon source will enable us to identify the candidate genes involved in the degradation pathway. This pathway will also be studied using a metabolomic approach based on liquid chromatography coupled with very high resolution mass spectrometry. The difference in profile between DSS-3 metabolomes from cells grown on glucose as a carbon source and those from cells grown on homarine will help to detect catabolites in the pathway. Finally, the candidate genes will be cloned for recombinant expression in E. coli, the corresponding proteins purified and their activity characterized in order to reconstruct the entire homarine degradation pathway in vitro.
Analysis of the expression of these genes in data from the Tara Oceans project (5) will be the first step towards a better understanding of the role of homarine in the carbon cycle.

References :
(1) doi.org/10.1038/358741a0
(2) doi.org/10.1128/mSystems.01334-20
(3) doi.org/10.1073/pnas.1307701110
(4) doi.10.1038/nature03170
(5) https://fondationtaraocean.org/expedition/tara-oceans/
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de biologie François JACOB
Service : Département Genoscope
Laboratoire : Laboratoire de génomique et biochimie du métabolisme
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants (SDSV)
Directeur de thèse : Perret Alain
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/JACOB//LGBM
URL : https://adum.fr/as/ed/voirproposition.pl?matricule_prop=60208&site=adumR

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de biologie François JACOB
Service : Département Genoscope

Master ou diplôme ingénieur en chimie/biochimie/biotechnologie ou champs disciplinaires relatifs