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Escherichia coli : métabolisme des sucres
Escherichia coli: description générale
La bactérie Escherichia coli est un bacille à gram négatif de la famille des Enterobacteriaceae. Cette bactérie est naturellement présente dans la flore intestinale d’un grand nombre d’espèces animales dont l’homme. Elle a été isolée en 1885 par le docteur Theodore Escherich. La majorité des souches sont commensales du microbiote intestinal, c’est-à-dire qu’elles colonisent le microbiote intestinal sans nuire à l’hôte. Cependant certaines souches peuvent être responsables d’infections intestinales, urinaires, pulmonaires ou du système nerveux. Ces souches sont ainsi classées en deux catégories selon qu’elles soient capables de provoquer des pathologies intra-intestinales (InPEC) ou extra intestinales (ExPEC).
La classification des souches pathogène est basée sur la présence de trois antigènes de surface : O (antigène somatique), K (antigène capsulaire) et H (antigène flagellaire) (Evans and Evans, 1983). Dans la majorité des cas les souches pathogènes sont désignées sous leur stéréotype O:H (ex : O104 :H4). E. coli est aujourd’hui un des organismes les mieux caractérisés car elle présente les avantages d’avoir une croissance rapide et les souches modèles de laboratoire ne sont pas pathogènes. De plus son génome a été entièrement séquencé (Blattner et al., 1997). L’évolution des techniques de séquençage a permis de réaliser une analyse phylogénétique basée sur différentes souches d’Escherichia coli isolées chez l’Homme. Cette analyse a mis en évidence quatre groupes phylogénétiques distincts (A, B1, B2 et D1) ainsi que deux sous-groupes (E et D2) (Chaudhuri and Henderson, 2012).
Escherichia coli est une bactérie anaérobie facultative. Elle est retrouvée dans l’intestin des mammifères, plus particulièrement dans la couche de mucus qui tapisse les cellules épithéliales du colon (Møller et al., 2003). Son métabolisme est adapté à la consommation de sucres issus de la dégradation du mucus (mannose, galactose, fucose, ribose, L-arabinose, galacturonate, gluconate, N-acetylglucosamine…) (Chang et al., 2004) mais aussi de sucres plus rarement présents dans le colon tel que le glucose, le xylose et l’acétate.
E. coli est très utilisée en châssis de production industrielle, notamment dans le domaine pharmaceutique où environ 30% des protéines recombinantes commercialisées sont produites chez E. coli (Huang et al., 2012). C’est aussi un des organismes les plus utilisés en ingénierie métabolique et en biologie de synthèse (Pontrelli et al., 2018). Cette bactérie reste un modèle d’étude en laboratoire, notamment la souche K12, souche historique de laboratoire dont le métabolisme a été intensivement étudié. Les apports nutritionnels nécessaires à la croissance de la souche K12 et de ses dérivées sont une source d’azote, de phosphore, de souffre, de carbone et des éléments minéraux (Na, Fe, Mg, K, Ca). Elle est hétérotrophe pour le carbone, c’est-à-dire qu’elle a besoin d’une source de carbone organique pour sa croissance. Son métabolisme lui permet d’utiliser un grand nombre de substrats différents comme apport de carbone (oses, acides aminés, acides faibles…) (Yoon et al., 2012).
Métabolisme Carboné Central d’Escherichia coli
Le métabolisme carboné central est l’ensemble des réactions biochimiques, intracellulaires permettant la dégradation des sources de carbone (catabolisme) et la synthèse des constituants de la cellule (anabolisme). Il permet de fournir l’apport énergétique majoritaire de la cellule ainsi que les précurseurs biosynthétiques indispensables (notamment à la synthèse d’acides nucléiques, d’acides aminés, de lipides…). Cette partie sera centrée sur la description du métabolisme des substrats impliqués dans la croissance sur mélange glucose/xylose.
Glycolyse (Embden–Meyerhof pathway) et gluconéogenèse
La glycolyse est la voie de dégradation du glucose et de manière plus générale des hexoses. Elle permet la dégradation d’une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate . Cette voie génère de l’ATP et du NADH. Elle est réversible, son fonctionnement inversé s’appelle la gluconéogénese et permet de synthétiser différents précurseurs biosynthétiques à partir de substrats plus pauvres en carbone qui rentrent dans le métabolisme au niveau du cycle de krebs.
Cycle de Kreb (TCA)
Le cycle de Krebs, aussi appelé cycle de l’acide citrique, est la source majoritaire de production d’énergie et de pouvoir réducteur via la réduction des co-enzymes impliquées dans la chaine respiratoire. Il permet de former du citrate à partir d’une molécule d’acétylCoA liée à une molécule d’oxaloacétate. Le cycle complet est composé de 8 étapes successives, dont 2 de décarboxylation dégageant du CO2, et 6 étapes d’oxydoréduction (générant NADH et FADH2) . Ainsi un tour complet du cycle de Krebs permet de générer 3 molécules de NADH, 1 de FADH2, 1 de GTP et dégage 2 molécules de CO2. Les molécules de NADH et FADH2 vont ensuite être utilisées dans la chaine respiratoire pour générer un total de 12 molécules d’ATP. Quand l’acétate est la source de carbone, le cycle de Krebs n’est pas effectué en entier, le cycle du glyoxylate est activé. Ce cycle permet aux micro-organismes d’utiliser des substrats pauvres en carbone en s’affranchissant des étapes de décarboxylation du cycle de Krebs .
Voie des pentoses phosphates
La voie des pentoses phosphates est une des voies principales du métabolisme carboné central. Cette voie est divisée en deux phases, une première partie appelée branche oxydative, et une seconde nommée voie non oxydative. La branche oxydative permet à la cellule de générer du NADPH via la transformation du glucose-6-phosphate en ribulose-5-phosphate. La seconde phase permet la synthèse de précurseurs métaboliques comme le ribose-5-phosphate (précurseur dans la synthèse des acides nucléiques) et l’érythrose-4-phosphate (un des précurseurs de la voie de synthèse des acides aminés aromatiques). De plus cette voie permet un retour dans la glycolyse au niveau du fructose-6-P et glycéraldéhyde-3-P.
Voie d’Entner-Doudoroff
La voie d’Entner-Doudoroff est la voie alternative à la glycolyse présente chez les procaryotes. Elle permet de dégrader le glucose en pyruvate et est composée de deux enzymes : une 6-phosphogluconate dehydratase (EDD), qui dégrade le D-gluconate 6- phosphate en 2-keto-3-deoxy-D-gluconate-6-phosphate, et une 2-keto-3-deoxy Dgluconate-6-phosphate aldolase (EDA) . Cette dernière permet de dégrader l’intermédiaire précédant en glycéraldéhyde 3-phosphate et en pyruvate (Wolfe, 2015). Cette voie est notamment activée lors de croissance sur gluconate (Eisenberg and Dobrogosz, 1967).
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Table des matières
Introduction
Etude bibliographique
I. Escherichia coli : métabolisme des sucres
I. 1. Escherichia coli : description générale
I. 2. Métabolisme Carboné Central d’Escherichia coli
I. 2. A Glycolyse (Embden–Meyerhof pathway) et gluconéogenèse
I. 2. B Cycle de Kreb (TCA)
I. 2. C Voie des pentoses phosphates
I. 2. D Voie d’Entner-Doudoroff
I. 3. Métabolisme du glucose
I. 3. A Le glucose
I. 3. B Transport du glucose
I. 3. C Catabolisme du glucose
I. 3. D Régulation du catabolisme du glucose
I. 4. Métabolisme du xylose
I. 4. A Le xylose
I. 4. B Transport du xylose
I. 4 C Métabolisme du xylose
I. 4. C Régulation du métabolisme du xylose
I. 5. Métabolisme de l’acétate
I. 5. A L’acétate
I. 5. B Transport de l’acétate
I. 5. C Catabolisme de l’acétate
I. 5. D Régulation du catabolisme de l’acétate
I. 6. Métabolisme de l’arabinose et du lactose
I. 6. A Transport de l’arabinose
I. 6. B Catabolisme de l’arabinose
I. 6. C Régulation du catabolisme de l’arabinose
I. 6. D Transport et catabolisme du lactose
I. 6. E Régulation du métabolisme du Lactose
II. Réponse adaptative chez Escherichia coli
II. 1. Adaptation à l’apparition d’un substrat chez Escherichia coli
II. 2. Adaptation à la disparition d’un substrat et entrée en état stationnaire
II. 2. A Levée de la répression catabolique
II. 2. B Mise en place de la réponse stringente
II. 2. C La réponse au stress contrôlé par le facteur σS
II. 3. Adaptation à un changement de substrat
II. 3. A La croissance diauxique
II. 3. B Motifs de régulation dans la consommation des sucres
III. Hétérogénéité phénotypique au sein des populations
III. 1. Définition
III. 2. Présence de microenvironnements au sein des cultures
III. 3. Généralité sur l’hétérogénéité phénotypique non environnementale
III. 4. La persistance bactérienne
III. 4. A Définition
III. 4. B Mécanismes
III. 5. Hétérogénéité métabolique liée à l’utilisation de source de carbone
III. 5. A Définition de l’hétérogénéité métabolique
III. 5. B Le cas de l’hétérogénéité métabolique en croissance diauxique
III. 5. C Mécanisme d’apparition de l’hétérogénéité métabolique
III. 6. Le rôle de l’hétérogénéité phénotypique
IV. Objectifs de la thèse
V. Conclusion
