Thèse Biodégradation Bactérienne du Polyethylène B2pe H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health
École doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
Laboratoire de recherche : Génomique métabolique - DRF/JACOB/Génoscope
Direction de la thèse : Valérie PUZOS BARBE ORCID 0000000281623343
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-23T23:59:59

Le plastique est un pur produit de l'ère industrialisée. Fabriqué à plus de 98% à partir du pétrole, il a complètement envahi nos vies. Parmi les plastiques conventionnels, le polyéthylène (PE) est le polymère synthétique le plus utilisé de par ses propriétés physico-chimiques : résistant à la rupture, hautement hydrophobe, isolant électrique, stabilité à la dégradation élevées..., sans compter son prix de revient qui est très bas [1]. Le polyéthylène basse densité (PEBD), le polyéthylène haute densité (PEHD), le polyéthylène linéaire basse densité (PEBDL) et le polyéthylène réticulé (PER) constituent la large gamme de ce polymère qui peut être utilisé pour la fabrication de flacons, de bouteilles, de tuyaux, de gaines de câbles, des articles de sports ou encore de matériaux beaucoup plus souples tels que des sacs, des films alimentaires, des tuyaux souples... [1,2].
La rigidité de son squelette liée aux liaisons C-C et son hydrophobicité élevée rendent le PE extrêmement récalcitrant à la biodégradation. Cependant, des effets synergiques entre une dégradation abiotique photo-oxydante et biotique permettent d'accélérer l'étape de biofragmentation [3]. Plusieurs genres bactériens, Gram+ et Gram-, ont été identifiés pour dégrader plusieurs types de PE mais seule la souche Rhodococcus ruber C208 est capable de minéraliser le PE sans pré-traitement du polymère [4]. Cependant, à notre connaissance, les processus de biodégradation et de minéralisation sont toujours inconnus à ce jour.
L'étude de Gravouil et al. [5] a constaté une expression différentielle de gènes de R. ruber C208 en présence de mannitol ou de polymères PE préalablement oxydés ou non (PE4K, PE-Oxo film, PE-OXO poudre). Nous avons séquencé le génome complet de cette souche (qui n'est pas disponible dans les bases de données) et ré-analysé, via la plateforme Microscope [6], les données transcriptomiques générées par les auteurs. Cela nous a permis de mettre en évidence des gènes candidats, non identifiés par Gravouil et al., potentiellement impliqués dans la biodégradation du PE.
Le projet de thèse proposé est multidisciplinaire, faisant intervenir de la biologie moléculaire, de la biochimie des protéines, de la chimie analytique et de la génomique fonctionnelle (transcriptomique et protéomique).
Le/la doctorant.e participera à ce nouveau projet de recherche sous la direction de Valérie Barbe (CR-HDR CEA, Biologiste/Bio-analyste) et co-encadré.e par Cécile Fischer (MC Université d'Evry Paris-Saclay, Biochimiste/Bio-analyste) de l'UMR Génomique métabolique (UMR 8030), en collaboration avec Boris Eyheraguibel (CR, Biochimiste) de l'Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (UMR 6296). Il/elle sera chargé.e de cloner les gènes candidats dans des vecteurs d'expression et de produire les enzymes correspondantes afin de tester leur activité et identifier des produits de réaction. En parallèle, de nouvelles données de transcriptomique et de protéomique seront générées avec un suivi cinétique de biodégradation beaucoup plus long que ce qui avait été réalisé par Gravouil et al. (3 jours dans l'étude initiale) [5]. Ces nouvelles données, qui permettront de valider et de compléter celles déjà disponibles, notamment concernant l'expression des gènes intervenant dans l'assimilation des produits de dégradation, seront analysées et validées fonctionnellement par le/la doctorant.e afin de fournir une vue métabolique plus complète de ce processus.

Rhodococcus ruber C208 est une espèce bactérienne intéressante pour l'étude de la biodégradation du polyéthylène. Cette espèce a une capacité de former un biofilm sur du polyéthylène en moins de 24h, bien plus rapidement que Pseudomonas sp [4]. De plus, l'hydrophobicité de la surface bactérienne de R. ruber C208 lui permet cette adhésion rapide et durable dans le temps, pouvant aller jusqu'à 60 jours. Ayant été isolée dans les années 2000, C208 a fait l'objet de nombreuses études pour sa capacité à dégrader le PE et les larges connaissances sur cette espèce en font un modèle de référence pour comprendre les étapes de biodégradation du PE [4, 8]. Néanmoins, à ce jour, aucune enzyme impliquée dans le métabolisme de dégradation du PE n'a été clairement identifiée, isolée et purifiée. C'est dans ce contexte que s'inscrit le projet B2PE dont l'objectif est d'identifier des enzymes impliquées dans la dégradation du polyéthylène chez Rhodococcus ruber C208. Ces connaissances sont essentielles pour comprendre les mécanismes de biodégradation et d'assimilation du PE par R. ruber C208. Par ailleurs, identifier ces enzymes clés aura un intérêt en biotechnologie pour la production de PE et potentiellement pour la gestion de ces déchets plastiques dans un contexte d'extrême pollution par ces derniers.

Validation des étapes biochimiques des réseaux métaboliques de la biodégradation et de la minéralisation du polyéthylène mises en évidence lors des analyses des données OMICs.

Les transcriptomes décrits dans l'étude de Gravouil et al. [5] dont l'objectif était d'étudier les mécanismes moléculaires permettant la dégradation du PE par R. ruber C208, ont été récupérés de la base de données publique NCBI et utilisés comme point de départ pour cette étude. Après le re-séquençage du génome de R. ruber C208 au sein du laboratoire, les données RNAseq disponibles ont été alignées sur le génome et une analyse différentielle des gènes a été réalisée. Cette analyse a permis de mettre en évidence de nouveaux gènes d'intérêt intervenant probablement dans la voie de biodégradation du PE. Ces gènes candidats vont être clonés dans des vecteurs d'expression afin de valider le rôle des enzymes impliquées dans la voie de dégradation du PE de R. ruber C208. Ces clonages permettront de produire et de surexprimer les enzymes clés. Pour cela, les gènes d'intérêts seront amplifiés par PCR à partir de l'ADN génomique, puis les produits seront clonés dans des plasmides et introduits dans un système E. coli BL21. Ces clonages sous le contrôle d'un promoteur inductible par l'IPTG seront réalisés par la méthode LIC (ligation-independent cloning) [9], à l'aide d'enzymes de restriction ou encore par la méthode Golden Gate [10]. Après expression des protéines recombinantes, les enzymes d'intérêt seront isolées et purifiées par chromatographie d'affinité.

La validation de l'activité de dégradation du PE des enzymes d'intérêt sera ensuite réalisée sur des substrats génériques chromogéniques pour confirmer la fonction supposée des enzymes puis sur du PE préalablement vieilli afin de contrôler leur activité dégradatrice. Les altérations sur le plastique seront détectées par microscopie et en mesurant la perte de poids du polymère. Parallèlement, la formation de produits issus de la dégradation du PE sera analysée par une méthode chromatographique qui permet une analyse détaillée de la composition des produits [11].
Parallèlement aux clonages des premiers gènes candidats, de nouvelles données de transcriptomique et de protéomique seront produites afin de suivre le rôle de ces gènes et d'en identifier de nouveaux qui interviennent plus dans le processus de minéralisation du PE par R. ruber C208. En partant des conditions de culture décrites par Gravouil et al. [5], une cinétique plus longue de culture sera réalisée (jusqu'à 1 mois) et plusieurs points seront séquencés et analysés.