Identification and characterization of an essential gene cluster for the utilization of degradation products of cellulose in R. cellulolyticum

Ruminiclostridium cellulolyticum est une bactérie mésophile, anaérobie stricte et cellulolytique. Elle sécrète des enzymes qui vont s’assembler sous la forme de complexes multienzymatiques (cellulosomes) très performants dans la dégradation des polysaccharides de la paroi végétale notamment la cellulose. Si son système de dégradation a fait l’objet de nombreuses études, on ne sait pas comment la bactérie parvient à importer les sucres issus de la dégradation de la cellulose.Mon projet a porté sur l’étude d’un transporteur de cellodextrines codé par le cluster cua (pour cellulose utilization associated ABC transporters). J’ai démontré que ce cluster de gènes était organisé en deux opérons. L’un codant un système de signalisation, l’autre codant un système de transport ABC et une cellobiose phosphorylase. Une approche par mutagénèse ciblée dans cette bactérie a montré que ce cluster est essentiel pour la croissance de la bactérie sur cellobiose et cellulose. Enfin, j’ai pu mettre en évidence que l’import des produits de dégradation était régulé par un système à 3 composants grâce des approches in vitro et in vivo.L’ensemble des données obtenues au cours de cette étude m’ont permis de proposer un modèle de fonctionnement de ce système.Dans un premier temps, la cellulose est dégradée en cellodextrines et notamment en cellobiose. Ce dernier active ensuite le système à 3 composants conduisant à l’expression des gènes codant le transporteur ABC et la cellobiose phosphorylase. Les produits de dégradation de la cellulose sont alors importés dans le cytoplasme puis clivés par phosphorolyse avant d’entrer dans la voie de la glycolyse.Ruminiclostridium cellulolyticum is a mesophilic and strictly anaerobic bacterium. It produces multienzymatic complexes called cellulosomes which efficiently degrade the plant cell wall polysaccharides. Cellulolytic enzymatic system produced by the bacteria to degrade cellulosic chains has been extensively studied, but little is known about the uptake of the degradation product of cellulose.My Ph. D. aimed to study a gene cluster called cua (cellulose utilization associated ABC transporters). I showed that this cluster is organized in two operons, one which encodes a signalization system, and another which encodes components of an ABC transporter and a cellobiose phosphorylase. Mutagenesis approach in this bacterium showed that this gene cluster is essential for the growth of the bacterium on cellobiose and cellulose. In vitro and in vivo methods revealed that import and use of cellulose degradation product is regulated by a three component system.Altogether the data allow to propose a functioning model of this regulatory/import and using system. First, cellulose is degraded in cellodextrins. The cellobiose released activates the three component system which subsequently induces the expression of the genes encoding the ABC transporter and the cellobiose phosphorylase. The degradation products are imported by the ABC transporter in the cytoplasm where they are cleaved par phosphorolysis by cellobiose