Controler la durée des phases d’adaptation des microorganismes

Pendant des décennies, on a pensé que le temps nécessaire pour qu’un microorganisme passe d’un substrat à un autre était inhérent au temps pour adapter la machinerie moléculaire au nouveau substrat. En étudiant le passage d’une croissance sur glucose à une croissance sur xylose, l’équipe BLADE a pu montrer que la durée de la latence est en fait due à l’émergence d’une sous-population de cellules adaptées qui va ensuite devenir la population principale. En identifiant le mécanisme moléculaire contrôlant l’émergence de la sous-population, les chercheurs ont pu allonger ou réduire la durée de cette phase d’adaptation. Ce travail est d’une importance particulière car il démontre la complexité inattendue des populations dites « pures » au cours de la croissance sur des substrats mixtes et ouvre la voie vers de nouvelles stratégies pour une meilleure utilisation des sources de carbone durables en bioéconomie.

La transition métabolique glucose-xylose présente un intérêt croissant comme modèle pour explorer l’adaptation cellulaire puisque ces molécules sont les principaux substrats résultant de la déconstruction de la biomasse lignocellulosique. Si la bactérie Escherichia coli est capable de rapidement consommer le glucose, il n’en va pas forcément de même pour sa capacité à basculer sur l’utilisation du xylose lorsque le glucose a été entièrement utilisé. L’optimisation de cette phase d’adaptation reste encore nécessaire pour assurer l’efficacité et la rentabilité du procédé industriel.

Ici, nous avons étudié le rôle du facteur de transcription XylR dans la durée des phases de latence lorsque la bactérie E. coli doit s’adapter de la croissance à base de glucose à celle de xylose. Tout d’abord, divers temps de latence ont été observés lorsque différentes souches d’E. coli passent d’une croissance sur glucose à une croissance sur xylose. Ces temps de latence se sont avérés être contrôlés par la disponibilité de XylR dans les cellules. Le titrage de XylR provoque de longs temps de latence résultant d’un phénomène d’hétérogénéité phénotypique lors du passage du glucose au xylose, avec une sous-population incapable de reprendre une croissance exponentielle, tandis que l’autre sous-population augmente de façon exponentielle en consommant le xylose. Un modèle stochastique a ensuite été construit sur la base de l’hypothèse que la disponibilité de XylR influence la probabilité des cellules individuelles de passer à la croissance du xylose. Le modèle a été utilisé pour montrer comment XylR se comporte comme un commutateur moléculaire déterminant deux populations phénotypiquement distinctes.

Ce travail montre que la longueur des phases de latence chez E. coli est contrôlable et renforce le rôle des mécanismes stochastiques dans l’adaptation cellulaire, ouvrant la voie à de nouvelles stratégies pour une meilleure utilisation des sources de carbone durables en bioéconomie.

Ces recherches ont fait l’objet d’un article dans la revue internationale à comité de lecture mBio (doi.org/10.1128/mBio.02938-20).

Elles ont été initiées par un financement 3BCAR (projet HME) et ont aussi servi de base au montage d’un projet ANR (JANUS ; ANR-19-CE43-0004).

Références bibliographiques :

Barthe, M., Tchouanti ,J., Gomes, P.H., Bideaux, C., Lestrade, D., Graham, C., Steyer, J.P., Meleard, S., Harmand, J., Gorret, N., Cocaign-Bousquet, M., & Enjalbert, B. (2020) Availability of the molecular switch XylR controls phenotypic heterogeneity and lag duration during Escherichia coli adaptation from glucose to xylose. mBio. 11(6):e02938-20.