L’adaptation des organismes vivants à divers stress et environnements résulte de modifications génétiques et de la restructuration des réseaux de régulation et des réseaux métaboliques. Notre équipe travaille principalement à comprendre et quantifier ce potentiel adaptatif chez les bactéries.
De manière générale, nous cherchons à caractériser les mécanismes moléculaires et écologiques impliqués dans la plasticité évolutive des microorganismes. Pour ceci, nous cherchons à établir le lien entre modifications génétiques/génomiques et changements phénotypiques en lien à diverses fonctions biologiques, dont certaines (virulence, résistance aux antibiotiques) sont directement associées à des problèmes de santé publique –nous travaillons par exemple sur Pseudomonas aeruginosa et sur des souches uropathogènes d’Escherichia coli. Nous exploitons également l’information évolutive passée et présente des bactéries pour révéler des mécanismes fondamentaux de leur fonctionnement et pour prédire l’évolution future.
Notre objectif est de développer une biologie évolutive des systèmes qui s’inspire et rende compte des propriétés des microorganismes. Nous abordons cet objectif par une approche interdisciplinaire (évolution expérimentale, biologie cellulaire, génétique, biochimie, génomique comparative, phylogénomique et modélisation biophysique), s’articulant autour de trois axes de recherche sur l’évolution des systèmes microbiens: l’évolution des génomes, l’évolution du métabolisme et l’évolution expérimentale.
Nous analysons en particulier au laboratoire la plus longue expérience d’évolution en cours dans le monde. Cette expérience est celle initiée par Richard Lenski (Michigan Sate University), avec qui nous collaborons depuis plus de 20 ans. Douze populations d’Escherichia coli sont propagées à partir d’un ancêtre commun depuis 1988 par transferts quotidiens dans un environnement limité en source de carbone (le glucose). Cette expérience représente ainsi 70 000 générations d’évolution à partir d’un ancêtre commun (Figure 1 ci-dessous). L’ancêtre ainsi que des échantillons, prélevés dans les douze populations toutes les 500 générations, sont conservés à -80°C, ce qui nous permet de posséder des archives fossiles complètes et vivantes !! Les grands concepts de l’évolution, ainsi que les mécanismes moléculaires et écologiques fins, peuvent être appréhendés de manière rigoureuse et sans précédent grâce à cette collection unique.
Nos axes de recherche interdisciplinaire bénéficient de la complémentarité des compétences des membres de l’équipe et s’inscrivent dans les trois thèmes suivants :
Évolution des génomes: Afin de comprendre comment la sélection naturelle façonne les génomes et d’identifier les fonctions biologiques les plus plastiques au cours de l’évolution, nous étudions le lien entre changements des génomes et dynamique des réseaux métaboliques et de régulation. Un de nos objectifs est ainsi de révéler les mécanismes dictant l’adaptation, la diversification et la co-existence de lignées bactériennes ainsi que les résistances aux antibiotiques. En outre, nous combinons ces approches évolutives avec des approches intégratives de biologie des systèmes pour appréhender « l’évolvabilité » des génomes et des réseaux. Enfin, nous utilisons et développons des outils de génomique comparative et de phylogénétique pour comprendre les origines moléculaires de la diversification des génomes procaryotes (bactéries et archées). Ceci inclut l'analyse évolutive des contenus en répertoire génique, l’étude de la structure des génomes et l’analyse de l'origine et de l’évolution de certaines machineries cellulaires et voies métaboliques. Ces travaux se caractérisent plus particulièrement par des analyses à grande échelle de larges jeux de données de type « -omiques ».
Évolution du métabolisme: Afin de prédire les capacités d’adaptation métabolique des microorganismes, en réponse par exemple à des altérations génétiques, nous tentons d’obtenir une caractérisation exhaustive des gènes participant à des voies métaboliques spécifiques, comme par exemple la biosynthèse des lipides ou des quinones. Nous combinons des approches expérimentales de biochimie et de génétique avec des études bioinformatiques de génomique comparative. Nous cherchons ainsi à comprendre non seulement le fonctionnement de ces voies métaboliques mais également leur évolution. Enfin, nous développons des approches computationnelles combinant biologie des systèmes et génomique comparative dans le but d’identifier des modules évolutifs dans les réseaux métaboliques.
Évolution expérimentale: Afin de comprendre quantitativement les mécanismes écologiques, moléculaires et génomiques de la sélection naturelle, nous analysons l’évolution de manière directe, c’est-à-dire expérimentalement, en travaillant aussi bien sur l’évolution au long-terme des bactéries que sur l’évolution d’organismes digitaux. Nous combinons donc évolution expérimentale in vivo et in silico. Une des expériences d’évolution analysée dans notre laboratoire est la plus longue en cours dans le monde, représentant plus de 65 000 générations d’évolution de la bactérie Escherichia coli (Figure). Les principaux objectifs sont de caractériser les innovations phénotypiques et leurs mécanismes sous-jacents relatifs: i) aux interactions entre gènes, produits des gènes et métabolites intracellulaires, ii) aux interactions entre lignées cellulaires, et iii) aux facteurs environnementaux (ressources disponibles, pression liée aux antibiotiques,…). La dynamique des réseaux cellulaires (métaboliques et de régulation) est analysée en lien avec les changements du génome.
Axe « Evolution des génomes »
Programme 1 : Evolution des taux de mutation et des éléments génétiques mobiles (J. Gaffé, T. Hindré, D. Schneider).
Programme 2 : Evolution de la structure physique des génomes (I. Junier, S. Abby).
Collaborations avec Paris-Saclay (Frédéric Boccard), Collège de France (Olivier Espéli, Olivier Rivoire), Université de Toulouse (Yves Bouet), CRG Barcelona (Luis Serrano), University of Barcelona (Felix Ritort).
Programme 3 : Etudes phylogénomique et expérimentale des mécanismes de diversification des procaryotes (S. Abby, D. Schneider, I. Junier, J. Gaffé, T. Hindré, ).
Collaborations avec Institut Pasteur (Eduardo Rocha), Université Lyon 1 (Vincent Daubin), Université de Bergen (Steffen Leth Jørgensen), Collège de France (Olivier Rivoire), Michigan State University (Richard Lenski), University of Warwick (Orkun Soyer).
Programme 4 : Analyse métagénomique du microbiote intestinal chez des patients (A. Suau-Pernet, D. Schneider).
Collaboration avec le Génoscope (Claudine Médigue, Stéphane Cruveiller).
Axe « Evolution du métabolisme »
Programme 5 : Biosynthèse des quinones et adaptation de la composition lipidique des membranes bactériennes (F. Pierrel, L. Pelosi, C. Mercier, S. Abby, I. Junier, D. Schneider).
Collaborations avec Collège de France (Marc Fontecave), Institut Pasteur (Frédéric Barras), Université de Padoue (Leonardo Salviati), Institute for Advanced Biology of Grenoble (Cyrille Botté), Technical University of Denmark (Soeren Molin et Helle Krogh-Johansen), Université de Normandie (Marc Feuilloley).
Programme 6 : Evolution et plasticité du métabolisme central (S. Abby, I. Junier, L. Pelosi, F. Pierrel, D. Schneider, T. Hindré, J. Gaffé, A. Suau-Pernet).
Collaborations avec Université de Vienne (Christa Schleper), Green Center for Systems Biology in Dallas, USA (Kim Reynolds).
Axe « Evolution expérimentale »
Programme 7 : Analyses moléculaires et écologiques des premières étapes de la spéciation (D. Schneider, J. Gaffé, T. Hindré).
Collaborations avec Michigan State University (Richard Lenski), University of Warwick (Orkun Soyer).
Programme 8 : Dynamique des réseaux de régulation (T. Hindré, I. Junier, A. Suau-Pernet, D. Schneider).
Collaborations avec Michigan State University (Richard Lenski), The University of Texas Austin (Jeffrey Barrick).
Programme 9 : Evolution des résistances et tolérances aux antibiotiques (D. Schneider, J. Gaffé, M. Martin).
Collaboration avec Michigan State University (Richard Lenski).
Programme 10 : Evolution in silico et applications (jeu sérieux sur les résistances aux antibiotiques, musique évolutive) (D. Schneider).
Collaboration INRIA Lyon (G. Beslon)).
Positionnement des programmes de recherche par rapport aux 3 axes
Nos contrats et programmes de recherche :
Projet (An)aeroUbi
(An)aeroUbi
CoEvo - Co-evolving units of genomes
Projet EvoEvo - Overheads
Projet EvoEvo
Liste des membres de l'équipe GEM :
Responsable(s)
- Dominique Schneider (Enseignant chercheur)
Permanents
- Sophie Abby (Chercheur)
- Amélie Amblard (IT-BIATSS)
- Joël Gaffe (Enseignant chercheur)
- Thomas Hindre (Enseignant chercheur)
- Ivan Junier (Chercheur)
- Mikaël Martin (IT-BIATSS)
- Corinne Mercier (Enseignant chercheur)
- Ludovic Pelosi (Enseignant chercheur)
- Fabien Pierrel (Chercheur)
- Dominique Schneider (Enseignant chercheur)
Autres
- Lucas Etourneau (Doctorant extérieur)
- Hugo Mathe-Hubert (Chercheur contractuel)
Doctorants
- Aurore Akoka (Doctorant)
- Elham Ghobadpour (Doctorant)
- Katayoun Kazemzadeh-Ferizhendi (Doctorant)
- Marie-Hélène Schmitt (Doctorant)
Les thèses en cours dans l'équipe :
- Aurore Akoka : "Régulation de différent gène chez E.coli et leur impacts sur le fitness des populations " (encadrée par Dominique Schneider , Thomas Hindre )
- Elham Ghobadpour : "Physique des polymères de l'ADN bactérien " (encadrée par Ivan Junier )
- Katayoun Kazemzadeh-Ferizhendi : "Etude des voies bactériennes de la biosynthèse de l'ubiquinone " (encadrée par Ludovic Pelosi , Fabien Pierrel )
- Marie-Hélène Schmitt : "Intérêt de la technique des oscillations forcées pour l'évaluation du poumon ex vivo. " (encadrée par Raphaël Briot )
Les membres de l’équipe enseignent de la Licence 1 au Master 2 dans des modules de microbiologie, génétique des procaryotes, biologie moléculaire et cellulaire, interactions hôtes-pathogènes, biochimie, parasitologie, biologie des systèmes.
Notre équipe couvre plusieurs sections du CNU (64, 65) et commissions CNRS (16, 21, 51). Dominique Schneider est membre du CNU section 65. Les enseignants-chercheurs sont responsables de différentes unités d’enseignement à l’Université Grenoble Alpes (« Les constituants biomoléculaires de la cellule » en L1, « Génétique » en L2, « Interactions hôtes-pathogènes » en L2, « Infectious Diseases » en Master 1 et 2, « Microbiology » en Master 1 et Master 2, « Systems Biology » en Master 2) et au cnam Paris («Ingénierie du vivant», «bioindustries et microbiologie appliquée». En outre, Thomas Hindré est responsable de la L2 de Biologie et Ludovic Pelosi est membre élu du conseil d'UFR, membre de la commission Recherche et Ressources Humaines et membre de la commission formation. Antonia Suau-Pernet est responsable de la licence professionnelle de génomique (cnam ENCPB afi24). Corinne Mercier est directrice-adjointe de l’UFR de Chimie-Biologie, en charge de la formation en Biologie et Présidente de la Commission Formation de l’UFR de Chimie-Biologie.