Allocations de recherche doctorale (ARED) Fiche projet 2015

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1 - Date de la demande (15/03/2015) : 1- Identification du projet (en langue française) - Acronyme du projet (8 caractères maximum) : IMEP - Intitulé du projet (en langue française) : Interaction entre microorganismes hétérotrophes et autotrophes provenant d écosystèmes hydrothermaux profonds 2- Domaine d'innovation stratégique (DIS) du projet - Cocher le DIS prioritaire au sein duquel le projet de thèse s'intègre. Vous pouvez cocher un DIS secondaire (à préciser en ce cas, point 6 de la présentation du projet). Si aucun DIS ne correspond, cocher «Projet Blanc». 1/ Innovations sociales et citoyennes pour une société ouverte et créative 2/ Chaîne alimentaire durable pour des aliments de qualité 3/ Activités maritimes pour une croissance bleue 4/ Technologies pour la société numérique 5/ Santé et bien être pour une meilleure qualité de vie 6/ Technologies de pointe pour les applications industrielles 7/ Observation et ingénieries écologique et énergétique au service de l environnement Projet Blanc - Préciser le sous-domaine correspondant : 7A : Observation, surveillance et gestion de l environnement et des écosystèmes et de leurs interactions Pour une plus ample présentation des DIS et des sous-domaines, merci de vous référer au Schéma régional de l'enseignement supérieur et de la recherche disponible à l'adresse suivante : 3- Présentation de l établissement porteur (bénéficiaire de l aide régionale) - Établissement porteur du projet (implantation obligatoire sur le territoire régional) : L Université de Bretagne occidentale (UBO), implantée à Brest est un acteur majeur en sciences marines, y compris dans l'exploitation des océans et dans l étude de la diversité microbienne des océans profonds. - Ecole Doctorale : Ecole Doctorale des Sciences de la Mer (ED 156) située à l'institut Universitaire Européen de la Mer (IUEM) de Plouzané 4- Identification du-de la responsable du projet (futur-e directeur-trice de thèse) - Nom et prénom : Le Blay Gwenaelle - Genre de la responsable du projet (F/H) : F Téléphone : Equipe de recherche encadrante (JE/EA/ ) : Région Bretagne - Fiche Projet ARED

2 - Unité (U/UMR/USR / ) LM2E: UMR 6197 Le «Laboratoire de microbiologie des environnements extrêmes» LM2E-UMR6197 est une unité mixte de recherche (CNRS-IFREMER-UBO). Le LM2E, situé à l IUEM, est considéré comme un laboratoire de référence pour l étude des microorganismes en conditions extrêmes, il possède une connaissance unique dédiée à leur culture. Le laboratoire bénéficie d un réseau établi de collaborations nationales et internationales de haut niveau. Tous les équipements nécessaires pour la culture (bioréacteurs gaz-lift, chambres anaérobies, hottes à flux laminaire, microscopes de fluorescence, incubateurs...), le suivi de la biodiversité (thermocycleurs, PCR quantitative..) et des activités (HPLC, chromatographie ionique, ATPmétrie etc..) des microorganismes extrêmophiles sont disponibles au LM2E. En outre, LM2E a accès aux plateformes de microscopie et de génomique présentes en Bretagne. - Nombre HDR dans l'équipe d'accueil : 7 - Nombre de thèses en cours : 12 - Nombre de post-docs en cours : 3 - Publications récentes de la directrice de thèse (nb total et 5 références max au cours des 5 dernières années) : 36 publications au total 1-Zihler, A., Le Blay, G., Chassard, C., Braegger, C., Lacroix, C "Bifidobacterium thermophilum RBL67 inhibits S. Typhimurium in an in vitro model of Salmonella infection in children." Journal of Food & Nutritional Disorders :. (in press) 2-Delavenne E., Cliquet S., Mounier J, Barbier G., Le Blay G Characterization of the antifungal activity of Lactobacillus harbinensis K.V9.3.1Np and Lactobacillus rhamnosus K.C8.3.1I in yogurt. Food Microbiology 2015 Feb;45(Pt A):10-7 IF2012: Y Alexandre, R Le Berre, G Barbier, G Le Blay Screening of Lactobacillus spp. for the prevention of Pseudomonas aeruginosa pulmonary infections. BMC Microbiol. Apr 27;14(1):107 I.F2012: BelguesmiaY, Choiset Y, Rabesona H, Mounier J, Pawtowsky A, Le Blay G, Barbier G, HaertléT and Chobert JM Characterization of antifungal organic acids produced by Lactobacillus harbinensis K.V9.3N.1p immobilized in gellan-xanthan beads during batch fermentation. Food Control 36: IF2012: Delavenne E, Ismail R, Pawtowski, A, Mounier J, Barbier G, Le Blay G Assessment of lactobacilli strains as yogurt bioprotective cultures. Food Control. 30(1): IF2012: Co-directrice de thèse (éventuellement) : Frédérique Duthoit - Equipe de recherche co-encadrante (JE/EA/ ) : UMR Présentation du projet (en langue française, 2 à 3 pages) - Résumé du projet (15 lignes) : Malgré une meilleure connaissance de la biodiversité des microorganismes associés aux sources hydrothermales océaniques profondes, leur participation aux réseaux trophiques, et leur implication dans les grands cycles géochimiques terrestres sont encore largement inconnus. Les producteurs primaires de ces écosystèmes privés de lumière sont des autotrophes chimiolithotrophes qui utilisent des composés inorganiques comme source d énergie et de carbone, alors que les hétérotrophes utilisent des composés organiques. Bien que ces microorganismes coexistent dans les mêmes environnements, on ignore encore comment leurs interactions, notamment via les flux de carbone, régulent le fonctionnement de ces écosystèmes extrêmes. L objectif général de ce projet consistera à mieux comprendre les interactions entre microorganismes hétérotrophes et autotrophes, et plus particulièrement comment la biodiversité des microorganismes hétérotrophes régule la croissance et l activité des autotrophes et vice versa. Pour cela des communautés microbiennes immobilisées autotrophes et hétérotrophes seront cultivées en bioréacteurs et la capacité de communautés hétérotrophes de différentes complexités à soutenir la croissance et l activité de microorganismes autotrophes sera testée. L inverse pourra également être testé. Ce type d expérimentation est maintenant rendu possible grâce à une nouvelle technique de culture continue récemment développée au LM2E qui consiste à immobiliser et cultiver des communautés de microorganismes hydrothermaux dans des bioréacteurs gaz-lift. Le suivi des communautés microbiennes et de leur activité se fera par méthodes moléculaires et biochimiques. - Présentation détaillée du projet : 1-Contexte scientifique et socio-économique du projet : Les océans profonds sont considérés comme le plus grand biome sur Terre, bien qu il soit le moins accessible et le Région Bretagne - Fiche Projet ARED

3 moins connu. De par leur vaste taille, ils jouent un rôle majeur dans les grands cycles géochimiques terrestres et dans la dynamique du climat mondial. Il est maintenant reconnu qu ils fournissent de nombreux services écosystémiques, notamment en termes de régulation thermique, et de ressources biologiques et minérales. Ces dernières, notamment les sulfures polymétalliques suscitent un vif intérêt dans un contexte économique mondial de raréfaction des métaux stratégiques. De vastes zones du plancher océanique sont déjà été soumises à des contrats d exploitation et de nouveaux contrats sont à venir (Hein et al, 2013). Les sources hydrothermales actives associées aux gisements de sulfures polymétalliques abritent des écosystèmes complexes et originaux parfois colonisés par une faune endémique, dont la chaîne trophique privée de lumière, repose essentiellement sur des microorganismes autotrophes chimiolithotrophes (Jorgensen and Boetius, 2007). Bien que les sources hydrothermales actives ne soient probablement pas exploitées, leur proximité immédiate des zones d exploitation (zones inactives) les expose à la décharge de panaches de particules et d'éléments toxiques susceptibles de perturber ces communautés microbiennes originales dont les fonctions sont encore très mal connues. En effet, malgré les avancées importantes effectuées sur leurs biodiversités, leurs participations aux réseaux trophiques, et leurs implications dans les grands cycles géochimiques terrestres sont encore largement inconnus tout comme leur capacité de résilience aux modifications anthropiques. En raison de leur grande diversité et de leurs capacités métaboliques polyvalentes, les microorganismes forment des communautés complexes interagissant à différent niveaux trophiques. Selon leurs fonctions métaboliques, ils sont regroupés en microorganismes autotrophes (primaires producteur) et hétérotrophes (décomposeurs), les autotrophes formant la base des réseaux trophiques. Il a été montré dans des communautés synthétiques aquatiques (microcosmes) que des interactions complexes existent entre microorganismes autotrophes et hétérotrophes qui sont liés via les flux de nutriments. Ces groupes étant co-dépendants, la productivité (la quantité de biomasse générée) d un écosystème dépend de la biodiversité présente dans ces deux groupes. Cependant, aucune étude de ce type n a jamais été effectuée sur des communautés microbiennes provenant d écosystèmes hydrothermaux, notamment en raison de la difficulté à cultiver ces microorganismes extrêmophiles. Ainsi, on ne connait pas leur niveau de codépendance et notamment si les hétérotrophes, susceptibles de fournir des éléments nutritifs, peuvent favoriser la croissance des autotrophes. Hein JR, Mizell K, Koschinsky A, Conrad TA (2013) Deep-ocean mineral deposits as a source of critical metals for high- and greentechnology applications: Comparison with land-based resources. Ore Geology Reviews 51: Jorgensen, B. B., and Boetius, A. (2007). Feast and famine--microbial life in the deep-sea bed. Nat Rev Microbiol 5, Hypothèse et questions posées, identification des points de blocages scientifiques que le travail de thèse se propose de lever : Les cheminées des sources hydrothermales océaniques profondes sont colonisées par une forte biodiversité microbienne soumise à des gradients physico-chimiques abrupts résultant du mélange entre le fluide hydrothermal chaud et anoxique et l eau de mer froide et oxygénée. A ces gradients sont associées des variations dans la nature des donneurs et des accepteurs d électrons qui fournissent l énergie chimique nécessaire au développement de ces communautés microbiennes complexes qui interagissent à différents niveaux trophiques. Les autotrophes chimiolitotrophes sont des microorganismes phylogénétiquement diverses, mais les principaux groupes comprennent les protéobactéries (gamma et epsilon), les aquificales, les archées méthanogènes et les microorganismes qui oxydent le fer ferrique. Dans les sites hydrothermaux produisant suffisamment d hydrogène, l'énergie disponible provenant de son oxydation peut être suffisante pour produire de la biomasse. Alternativement, dans la plupart des sources hydrothermales, l énergie nécessaire à la chimiosynthèse dérive de réactions dans lesquelles des substances telles que le sulfure d'hydrogène ou l'ammoniaque sont oxydés. Ces producteurs primaires utilisent des composés inorganiques comme source d énergie et de carbone, alors que les hétérotrophes utilisent des composés organiques. Bien que ces microorganismes coexistent dans les mêmes environnements, on ignore encore comment leurs interactions, notamment via les flux de carbone, régulent le fonctionnement de ces écosystèmes extrêmes. Objectif : L objectif général de ce projet consistera à mieux comprendre les interactions entre microorganismes hétérotrophes et autotrophes, et plus particulièrement comment la biodiversité en microorganismes hétérotrophes régule la croissance et l activité des autotrophes et vice versa. 3-Approche méthodologique et technique envisagée : Dans un premier temps, une communauté hétérotrophe sera établie et caractérisée en culture continue dans un bioréacteur gaz-lift (conditions de croissance hétérotrophes) à partir d un échantillon de cheminée hydrothermale. La capacité de cette communauté à soutenir la croissance de microorganismes autotrophes provenant du même Région Bretagne - Fiche Projet ARED

4 échantillon sera ensuite testée dans les mêmes conditions (ie sans ajout de source de carbone ou d énergie inorganique). La capacité d une communauté autotrophe à soutenir la croissance de microorganismes hétérotrophes pourra également être testée. En parallèle des souches autotrophes et hétérotrophes seront isolées du même échantillon ou sélectionnées à partir de la collection du laboratoire. Les souches seront cultivées séparément, et leur croissance sera testée dans différentes conditions de culture. Deux communautés synthétiques seront ensuite constituées (une hétérotrophe et une autotrophe) et la capacité de chacune à soutenir la croissance de l autre sera évaluée en culture continue ou en fed-batch. Enfin, un plan d expérience sera mis en place pour tester la codépendance des deux communautés. Ainsi différentes communautés synthétiques composées de microorganismes autotrophes et hétérotrophes de complexité croissance seront reconstituées et la croissance et l activité des différents microorganismes seront analysées (Naeem et al., 2000; Ho et al., 2014). Ce type d expérimentation est maintenant rendu possible grâce à une nouvelle technique de culture continue récemment développée au LM2E qui consiste à cultiver des communautés de microorganismes hydrothermaux immobilisés dans des bioréacteurs gaz-lift. En effet, l immobilisation permet de maintenir physiquement les microorganismes dans le bioréacteur en évitant le lavage des souches à croissance lente. De plus, le fait que les communautés soient immobilisées dans des billes de polymères permet de récupérer tout ou partie de ces billes pour les transférer vers un autre bioréacteur contenant une autre communauté préétablie. Le suivi des populations microbiennes se fera par ARISA et par PCR quantitative (qpcr) et par séquençage. Afin de caractériser la dynamique fonctionnelle des communautés, une quantification de gènes de fonctions associés au cycle du carbone sera réalisée par qpcr. L analyse de la composition chimique des effluents permettra de suivre l utilisation ou la synthèse de métabolites. Les analyses seront notamment faites par chromatographie ionique (ex. acétate, lactate, formate, propionate, butyrate etc..). Les flux de carbone pourront être suivis par des substrats radiomarqués. Naeem S, Hahn DR, Schuurman G. Producer-decomposer co-dependency influences biodiversity effects. Nature Feb 17;403(6771): Ho A, de Roy K, Thas O, De Neve J, Hoefman S, Vandamme P, Heylen K, Boon N. The more, the merrier: heterotroph richness stimulates methanotrophic activity. ISME J Sep;8(9): doi: /ismej Epub 2014 May 2. 4-Profil du candidat (compétences scientifiques et techniques requises) : Master II -Solides connaissances en microbiologie (cultures aérobies et anaérobies) -Connaissances des méthodes de culture et d isolement de micro-organismes de métabolismes variés. -Connaissances des techniques classiques de biologie moléculaire (extraction d ADN, PCR, PCR quantitative..) -Une expérience de culture de micro-organismes en culture continue (bioréacteur) serait appréciée -Maîtrise de l Anglais à l écrit et à l oral - Qualités relationnelles et aptitude au travail en équipe. - Bonne capacité d organisation et esprit de synthèse. 5-Positionnement et environnement scientifique dans le contexte régional, et le cas échéant, national et international : Le projet s inscrit dans l axe régional : Sciences et technologies de la mer. Le niveau des recherches proposé se situe à un niveau international élevé pour lequel le site de Brest, pôle de compétitivité mer, rassemble les meilleurs spécialistes susceptibles d intervenir sur le sujet. Le projet utilisera les grands équipements et les structures de la région (Plateforme de séquençage de BioGenoOuest, microscopie électronique, IFR 148 ScInBioS) et au niveau national (navires et submersibles). La première partie de ce projet sera développée dans le cadre du projet européen MaCuMBA "Improved cultivation efficiency of marine microorganisms" au sein du WP3, coordonné par le LM2E et dont l'objectif est le développement de techniques innovantes pour la culture de microorganismes extrêmophiles. 6-Pertinence du projet au regard du DIS de rattachement (et/ou du DIS secondaire). Si «projet blanc», préciser les raisons de ce choix : 7A : Observation, surveillance et gestion de l environnement et des écosystèmes et de leurs interactions Au moment où les dépôts de sulfure polymétalliques des sites hydrothermaux des océans profonds deviennent une ressource minière économiquement exploitable, il est de notre intérêt de continuer à surveiller et étudier ces écosystèmes extrêmement riches et parfaitement originaux. Il est ainsi essentiel de déterminer leurs diversités, leurs fonctions, et leurs rôles dans les processus chimiques et biologiques alors qu ils pourraient être mis à mal dans un avenir proche. Ces écosystèmes uniques, outre leur implication dans la production de ressources minérales, et leur implication dans les grands cycles géochimique terrestres, représentent également une très grande source de biodiversité. Le caractère exceptionnel des adaptations biologiques (génomiques et phénotypiques) des espèces inféodées à ces milieux extrêmes justifie leur intérêt en tant que modèles scientifiques, mais aussi comme réservoir de Région Bretagne - Fiche Projet ARED

5 biomolécules et de composés actifs susceptibles de posséder de nouvelles structures chimiques et de nouveaux modes d'action pouvant trouver des applications dans de nombreux domaines dont la médecine (archaeosomes, antimicrobiens, anti-inflammatoires, nanoparticules..), la nutrition, la cosmétique (solutés compatibles, anti-uv, polymères..), l'aquaculture, la bio-remédiation (dégradation de polluants, séquestration de métaux lourds..) et de l'énergie. La connaissance et le maintien de la biodiversité est donc un objectif partagé à l'échelle mondiale pour le bien-être futur de l'humanité. 7-Autres informations utiles (projet relevant des Objets d'excellence -OBEX-, projet inscrit dans le cadre des «Projets réservés» régionaux, dont «Projets émergents de recherche»...) : 6- Projet de thèse en cotutelle internationale - S agit-il d un projet de thèse en cotutelle internationale (oui/non) : Non - Si oui, préciser l établissement pressenti (et le pays de rattachement) : - En cas de projet en cotutelle internationale, préciser -si vous en avez connaissancel'organisation du calendrier des périodes de séjour : NB : Est entendue comme «thèse en cotutelle internationale», la situation où le doctorant partage son temps de thèse de manière égale, entre un établissement breton bénéficiaire, qui le rémunère pendant les périodes de thèse effectuées sur le territoire régional (18 mois sur 36 mois), et un établissement étranger, qui s'engage également à rémunérer le doctorant dans le cadre de son séjour à l'étranger, soit durant 18 mois -a minima-. (Voir article 6.4 du Dispositif ARED 2015). 7- Financement du projet de thèse - Part de l enveloppe financière régionale affectée au projet (part exprimée en ETP) : 50% (18 mois) - En cas de financement à 50 %, le cofinancement est-il déjà identifié (oui/non) : non - Si oui, préciser la nature du cofinancement (ANR, Partenaire privé, Ademe, etc.) : une demande de bourse UBO est en court Région Bretagne - Fiche Projet ARED

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