New approaches and concepts to study complex microbial communities

Le développement du séquençage à haut débit a révolutionné l'étude des communautés microbiennes complexes, appelées "microbiomes", dans divers environnements, des océans centraux à l'intestin humain. L'objectif de la recherche menée dans le cadre de cette thèse est de développer de nouvelles technologies basées sur le séquençage haut débit et de les appliquer à l'étude des changements de compositions et d'activités des microbiomes. Le Chapitre Un présente RIMS-seq (Rapid Identification of Methylase Specificity), une méthode permettant d'obtenir simultanément la séquence ADN ainsi que le profil de méthylation 5-methylcytosine (m5C) des génomes bactériens. Le Chapitre Deux introduit ONT-cappable-seq et Loop-Cappable-seq, deux nouvelles techniques révélant la structure opéronique des transcrits via le séquençage de transcrits pleine longueur, en utilisant le séquençage Nanopore et LoopSeq, respectivement. Dans le Chapitre Trois nous avons utilisé une approche multiomique en appliquant certains des outils que nous avons développés dans les précédents chapitres, afin d'étudier la dynamique de réponse d'un microbiome synthétique représentatif d'un intestin humain après traitement avec la ciprofloxacine,un antibiotique à large spectre très largement utilisé. Les antibiotiques sont indispensables pour traiter les infections par des bactéries pathogènes mais ils éliminent également des bactéries commensales qui ont un rôle important pour la santé, entraînant le développement de souches résistantes et réduisant l'effet protecteur du microbiote contre l'invasion par des pathogènes. Il est donc crucial de pouvoir caractériser l'impact des traitements antibiotiques sur le microbiote, à la fois sur le plan compositionnel mais aussi sur le plan fonctionnel. Nous avons examiné à la fois la réponse au niveau transcriptomique et génomique, à court et à long terme, de la communauté synthétique. Nous avons exploré comment la réponse transcriptomique immédiate peut corréler et potentiellement prédire les changements de composition du microbiote, généralement observés bien plus tard après le traitement antibiotique. Le but est d'essayer d'identifier un marqueur apparaissant après quelques minutes/heures de traitement et qui pourrait être utilisé pour potentiellement prédire l'impact de ce traitement antibiotique afin de se diriger vers une médecine plus personnalisée.The development of high-throughput DNA sequencing revolutionized the study of complex bacterial communities called “microbiomes'', in diverse environments, from the central oceans to the human intestine. The research aim of this thesis is to develop new sequencing-based technologies and apply them to provide further insights into changes to the composition and activities of microbiomes. Specifically, Chapter One presents RIMS-seq (Rapid Identification of Methylase Specificity), a method to simultaneously obtain the DNA sequence and 5-methylcytosine (m5C) profile of bacterial genomes. Modification by m5C has been described in the genomes of many bacterial species to modulate gene expression and protect from viral infection. Chapter Two introduces ONT-cappable-seq and Loop-Cappable-seq, two new techniques to reveal operon architecture through full-length transcript sequencing, using Nanopore and LoopSeq sequencing, respectively. In Chapter Three, we applied a multiomics approach using some of the tools developed in the previous chapters tostudy the dynamics of the response of a model human intestinal microbiome after treatment with ciprofloxacin, a widely used broad-spectrum antibiotic. Antibiotics are critical treatments to prevent pathogenic infections, but they also kill commensal species that promote health, enhance the spread of resistant strains, and may degrade the protective effect of microbiota against invasion by pathogens. Therefore, it is crucial to be able to characterize both the composition but also the functional response of a microbial community to antibiotic treatment. We examined both the short and long-term transcriptional and genomic responses of the synthetic community and explored how the immediate transcriptomic response correlates and potentially predicts the later changes of the microbiome composition. The goal is to try to identify a marker appearing a few minutes/hours after the treatment that could be used to potentially predict the outcome of an antibiotic treatment, opening up the path to a more personalized medicine