l’exploration des ecosystèmes microbiens au service de l’homme par bernard taminiau | liege...
TRANSCRIPT
Bernard Taminiau, ULg - Microbiologie des Denrées alimentaires
Jeudi 5 novembre
L’exploration des écosystèmes microbiens au service de l’homme.
Liege Creative, en partenariat avec :
L'explora*on des flores microbiennes au service de l'homme
Dr Bernard Taminiau Pr Georges Daube
2 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
MICROBIOLOGIE
2 × 1028
1015
100x
108
11.000
100x
ECOLOGIE MICROBIENNE
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 3
Interaction avec facteurs abiotiques
Interaction et Communication
Fonctions dans l’écosystème
Dynamique et Diversité Cycles géochimiques
Altération climat
Symbiose – prédation - Pathogenèse …
Bioremédiation Enzyme discovery Bio-indicateurs
Homme – être composite
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 4
Belizário JE, Napolitano M (2015) Front Microbiol
La caverne de PLATON
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 5
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 6
XIX siècle - 1974 1974-2005 2005 -
Ecosystème
fonction microbienne Communautés Modèles
Diversité & dynamique
Outils
Culture - microscopie
FISH
Bio Mol
Bio info
NGS
ECOSYSTEMES MICROBIENS
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 7
« The Rumen and Its Microbes » (Academic Press, New York, 1966)
Robert E. Hungate (USA) Anaerobic microbiology – « Roll tubes methods »
Sergeï Vinogradski (Russie – France) Activités microbiennes du sol – colonnes de Vinogradski
Vision biotype en compétition et adaptation constante opposée à celle de Koch et de ses postulats
Intégration des bactéries dans un « tout » (écosystème)
Le rumen est devenu le premier écosystème microbien bien caractérisé
XIX siècle - 1974 fonction microbienne
The Great Plate count anomaly
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 8
1974-2005 Communautés Modèles
The Great Plate count anomaly
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 9
Mar*n Keller & Karsten Zengler Nature Reviews Microbiology 2, 141-‐150 (February 2004)
Top 3 - Proteobacteria - Firmicutes - Actinobacteria
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 10
1974-2005 Communautés Modèles
Quorum sensing Observations in situ
E. Ruff et al., 2015 PNAS
Clonage
Encyclopedia Brihanica
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 11
2005 - Diversité & dynamique
Séquençage massif
Caractérisa*on et iden*fica*on massive
Bio-informatique
Explosion des Bases de données
Sogin et al., PNAS August 8, 2006 vol. 103 no. 32
13 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Métagénétique
Séquençage d’amplicon
• Identification possible sur tous les phyla bactériens • Indépendante de l’état de la bactérie • Données stockables
Séquençage d’amplicon
Iden*fica*on popula*ons
Taxonomie bactérienne est basée sur la séquence de l’ARN 16S
Pablo Yarza, et al. 2014. Nature Reviews Microbiology
www.arb-silva.de
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 15
Autres Cibles
• MICRO-‐eucaryotes => 18S, 23S, ITS
hhp://fungene.cme.msu.edu/
• Cibles à façon : Enzymes, marqueurs de résistance, …
www.arb-silva.de hhps://unite.ut.ee/
16 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Séquençage Cible
Profil d’abondance Zone_
H07_1
2081
4
Zone_H07
_260
804
Zone_H07
_090
914
Point_H07
_2_1
2081
4
Point_H07
_2_2
6080
4
Point_H07
_2_0
9091
4
Point_H07
_3_1
2081
4
Point_H07
_3_2
6080
4
Point_H07
_3_0
9091
4
Point_H07
_4_1
2081
4
Point_H07
_4_2
6080
4
Point_H07
_4_0
9091
40
50
100
Abondance relative des phyla bactériens - zone H7
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
ProteobacteriaCyanobacteriaBacteroidetesActinobacteriaBacteria_unclassifiedFirmicutesVerrucomicrobia
Echan*llons écosystème
Structure des popula*ons
17 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Métagénomique
Séquençage global du métagénome
Poten*el fonc*onnel
Iden*fica*on popula*ons
Iden*fica*on Variants – transferts
géné*ques
18 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Séquençage global
Profil taxonomique
Echan*llons écosystème Profil poten*el fonc*onnel
Catalogue ou de novo
Reconstruc*on pathways
Iden*fica*on variants
Reconstruc*on génomes
19 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Métagénomique Métagénétique OU
COÛTS 1.000-2.000 € / échantillon 100-200 € / échantillon
IT 25-50 x106 Séquences/ échantillon 5.000 – 20.000 Séquences/ échantillon
Temps 15 – 21 jours 2 – 3 mois
Utilisation et design d’étude rationnelle
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 20
Bienvenue dans le règne du « omics » -‐ Integra*ve Biology
Métatranscriptomique
Métaprotéomique
Métabolomique
Métaglycomique
Culturomique
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 21
Fundamental and Applied Research for Animal and Health
ONE HEALTH
ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH 22
Fundamental and Applied Research for Animal and Health
Many MICROBIOTA
EXPLORATION ET CARACTÉRISATION DE FLORES L'explora*on des flores microbiennes
23 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
24 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
n=59
Intern butcheries in supermarket (SM2; n=8) and Butcheries (Butchery; n=7) At day 0 and day 2
Restaurant (n=6) at day 0
Sandwih bars (n=6) at day 0
Pre packed in supermarket (SM1;n=8) at day 0 and at day 2
Exploration Qualité de la viande fraiche en Belgique
Delhalle et al., 2015 J Food Prot
(Bray-Curtis index)
Xanthomonas
G1
G2
Streptococcus thermophilus
G3 Clostridium
haemolyticum G6
Lactobacillus algidus Lactococcus piscium
G7 No dominante
flora
G8
Leuconostoc gelidum
G4
Lactobacillus algidus
J2 G5
Photobacterium Lactobacillus algidus Lactococcus piscium
J0
G9
Pseudomonas Brochothrix
J0
27 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Explora*on écosystème microbien peut permehre d’améliorer la qualité et la maîtrise du produit
BIOPROTECTION
utilisation raisonnée de souches naturellement présentes pour améliorer stabilité et longévité du produit
Axe2 -‐ Florpro
Partenaires : Celabor -‐ Pas*ficio della Mama, Detry, Belourthe, Héritage et GHL
28 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Exploration longitudinale de la microflore de seniors
Rodriguez C, en préparation
Suivi hebdomadaire de 23 volontaires > 65 ans dans une MRS pendant 4 mois
Recherche bactériologique de Clostridium difficile
Etablissement du profil bactérien du microbiote intestinal
29 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Posi*f Cdif recherche directe Posi*f Cdif recherche enrichis. Néga*f recherche Cdif
30 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
0.05
P12_week_10
P5_week_12
P5_week_03
P1_week_08
P13_week_04
P19_we
ek_13
P19_week_11
P18_week_07P18_week_17
P16_week_06
P15_week_08
P13_week_06
P1_week_12
P17_week_08
P17_week_06
P12_week_07
P2_week_15
P15_week_14
P19_week_03
P15_week
_04
P1_week_04
P24_week_14
P13_week_08
P15_w
eek_12
P24_week_10
P17_week_07
P2_week_11
P15_week_09
P2_week_13P2_week_09
P24_week_05P15_week
_03
P18_week_09
P18_week_05
P12_week_11
P24_week_06
P15_week_13
P24_week_08
P19_week_02
P1_week_01
P1_week_16
P24_week_12
P12_week_03P13_week_01
P24_week_17
P18_week_12
P19_week
_07
P15_we
ek_06
P2_week_01
P13_week_02
P13_week_03
P5_week_16
P1_week_14
P15_we
ek_11
P19_week
_15
P13_week_14
P2_week_05
P19_week_0
9
P24_week_03P18_week_15
P5_week_01
P15_week_07
P15_week_02
P1_w
eek_10
P1_week_07
P1_week_05
P19_we
ek_10
P2_week_07
P15_week_17
P19_week_01
P2_week_17
P1_week_02
P13_week_12
P15_week_01
P1_week_11
P13_week_10
P2_week_03
P17_week_05P1_w
eek_17
Phylotype tree based on populaDon distribuDon – BraycurDs dissimilarity index
• Sépara*on des
échan*llons sur base de la similitude de la flore
Chaque volontaire possède une empreinte
microbienne propre et stable dans le
temps
31 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Explora*on microbiote senior peut permehre de développer des
produits dédiés
HOMEOSTASIE
Développement d'ingrédients et de produits finis fonctionnels contribuant au bien-être intestinal des seniors
Axe1 -‐ NutriguDor
Partenaires : UCL – Laboratoires Or*s, Cosucra Groupe Warcoing, Yakima Chief Inc., Biorès, Vésale Pharma, Oxylent, Lacto Research
SUIVI PERTURBATIONS MICROBIOTE L'explora*on des flores microbiennes
32 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
33 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Effets hépato-protecteurs d’un extrait de rhubarbe associés à des modifications importantes de la flore microbienne
Neyrinck A., soumis
Utilisation d’un modèle souris de Binge Drinking
« Binge drinking » at 7h, sacrifice at 13h
Fas*ng
Day 0
Start of the experiment
Day 16 19h
Day -‐7
adapta*on period
Day 17
34 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Histological analysis of liver sec*ons (Oil red O staining)
AccumulaDon de lipides dans le foie
Controle Alcool Alcool + extrait de
rhubarbe
35 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
F4/80 CD68 CD11c TLR4 MCP-1 IL-1β IL-6 TNF-α0
1
2
3
4
5Rhubarb extractAlcoholAlcohol+ Rhubarb extract
§
*
§
*
§
*
§
** *
*
§
rela
tive
expr
essi
on
Mesure de ARN messagers clefs dans l’inflama*on
36 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Impact majeur sur la flore
Non metric dimensional scaling using species level samples dissimilarity
37 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Control
Rhubarb ex
tract
Alcohol
Alcohol+R
hubarb ex
tract
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100Phylum
ActinobacteriaBacteroidetesCyanobacteriaBacteria_unclassifiedDeferribacteresFirmicutesProteobacteriaSM2F11TenericutesVerrucomicrobia
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Control
Rhubarb ex
tract
Alcohol
Alcohol+R
hubarb ex
tract
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100Family
VerrucomicrobiaceaeLachnospiraceaeRuminococcaceaeS24-7RikenellaceaevadinBB60Alphaproteobacteria uncl.BacteroidaceaePrevotellaceaeDeferribacteraceaePorphyromonadaceaeErysipelotrichaceaeAnaeroplasmataceaeDesulfovibrionaceaeClostridiales uncl.Defluviitaleaceae
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)Contro
l
Rhubarb ex
tract
Alcohol
Alcohol+R
hubarb ex
tract
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100Genus
AkkermansiaS24-7 uncl.Ruminococcaceae uncl.AlistipesLachnospiraceae uncl.BlautiavadinBB60 uncl.Alphaproteobacteria uncl.BacteroidesAlloprevotellaMucispirillumParabacteroidesOscillibacterAnaerotruncusAllobaculumAnaeroplasma
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Control
Rhubarb ex
tract
Alcohol
Alcohol+R
hubarb ex
tract
6
8
10
12
14
ab ab a
Log 1
0[c
ell n
umbe
r/ g
of c
aeca
l con
tent
]
Control
Rhubarb ex
tract
Alcohol
Alcohol+Rhubarb
extra
ct8
9
10
11
12
a ba
b
Log 1
0[c
ell n
umbe
r/ g
of c
aeca
l con
tent
]
A
B C
Iden*fica*on des popula*ons concernées
Akkermansia muciniphila Parabacteroides golsteinii
38 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Corréla*on Bactéries -‐ hôte
39 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Explora*on microbiote mets en lumière l’intérêt de popula*ons bactériennes, parfois inconnues
TAXONOMIE
Isolement de populations biomarqueurs identifiées afin de les caractériser
40 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Exploration du microbiote stomacal associé ou non à la présence de Helicobacter suis chez le porc
De Bruin E.
Comparaison d’écouvillons de parties de l’estomac chez le porc
Infectés par H. suis Non infectés par H. suis
41 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Actinobacillus_AF371856
Clostridium_GQ133472
Helicobacter_suis
Pseudomonas_KC002541
0
20
40
60
80
rela
tive
popu
latio
n ab
unda
nce
(%)
Abundance distribution of selected bacterial species - Hsuis effect
Hsuis_negativeHsuis_positive
** **
**
**
Confirma*on présence H. suis
42 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Acidobac
teria
Actinobac
teria
Bacter
ia_uncla
ssifie
d
Candidate
_divi
sion_S
R1
Candidate
_divi
sion_T
M7
Cyanobac
teria
Fusobac
teria
Lentis
phaerae
Nitrosp
irae
Plancto
mycete
s
SHA-109
Spiroch
aetae
Teneri
cutes
Verruco
microbia
0
2
4
6
8
Abundance distribution of bacterial phyla - Hsuis effectre
lativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
) Hsuis_negativeHsuis_positive**
Bacter
oidetes
Firmicu
tes
Proteo
bacter
ia0
20
40
60
80
100
Présence d’un phylum spécifique au groupe H. suis +
43 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Isolement et iden*fica*on nouvelle espèce bactérienne
Rôle de cette bactérie dans l’implantation de H. suis ?
44 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Iden*fica*on et caractérisa*on de popula*ons clefs soulèvent parfois
la ques*on de leur origine
BIOTOPE
Identification de la source de populations bactériennes
Partenaires : DG03 -‐ ISSeP
SOURCE TRACKING L'explora*on des flores microbiennes
45 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Origine de la contamina*on fécale des eaux de baignade
47 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
4 zones de baignade
4 points de prélèvement par zone
Zone de baignade 3 points de prélèvement en amont
Microbio classique E. coli et entérocoques fécaux
Métagéné*que 16S
48 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Zone_I14
_120
814
Zone_I14
_260
814
Zone_I14
_090
914
Point_I14
_2_1
2081
4
Point_I14
_2_2
6081
4
Point_I14
_2_0
9091
4
Point_I14
_3_1
2081
4
Point_I14
_3_2
6081
4
Point_I14
_4_1
2081
4
Point_I14
_4_2
6081
4
Point_I14
_4_0
9091
40
50
100
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Abondance relative des phyla bactériens - zone I14
BacteroidetesProteobacteriaCyanobacteriaActinobacteriaBacteria_unclassifiedVerrucomicrobiaFirmicutes
Zone_I15
_120
814
Zone_I15
_260
814
Zone_I15
_090
914
Point_I15
_2_1
2081
4
Point_I15
_2_2
6081
4
Point_I15
_2_0
9091
4
Point_I15
_3_1
2081
4
Point_I15
_3_2
6081
4
Point_I15
_3_0
9091
4
Point_I15
_4_1
2081
4
Point_I15
_4_2
6081
4
Point_I15
_4_0
9091
40
50
100
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Abondance relative des phyla bactériens - zone I15
BacteroidetesCyanobacteriaProteobacteriaActinobacteriaBacteria_unclassifiedVerrucomicrobiaFirmicutes
Zone_I16
_120
814
Zone_I16
_260
814
Zone_I16
_090
914
Point_I16
_2_1
2081
4
Point_I16
_2_0
9091
4
Point_I16
_3_1
2081
4
Point_I16
_3_2
6081
4
Point_I16
_3_0
9091
4
Point_I16
_4_1
2081
4
Point_I16
_4_2
6081
4
Point_I16
_4_0
9091
40
50
100
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Abondance relative des phyla bactériens - zone I16
BacteroidetesProteobacteria
ActinobacteriaCyanobacteria
Bacteria_unclassified
FirmicutesVerrucomicrobia
Zone_H07
_120
814
Zone_H07
_260
804
Zone_H07
_090
914
Point_H07
_2_1
2081
4
Point_H07
_2_2
6080
4
Point_H07
_2_0
9091
4
Point_H07
_3_1
2081
4
Point_H07
_3_2
6080
4
Point_H07
_3_0
9091
4
Point_H07
_4_1
2081
4
Point_H07
_4_2
6080
4
Point_H07
_4_0
9091
40
50
100
Abondance relative des phyla bactériens - zone H7
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
ProteobacteriaCyanobacteriaBacteroidetesActinobacteriaBacteria_unclassifiedFirmicutesVerrucomicrobia
49 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
Mesure globale de la contamina*on fécale
Zone_H7
Point_H7_
2
Point_H7_
3
Point_H7_
4
Zone_H7
Point_H7_
2
Point_H7_
3
Point_H7_
40.000.010.020.030.040.05
0.5
1.0
1.5
102
103
104
105
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Zone H7
Nom
bre corrigé de bactéries dans 100ml
Zone_I14
Point_
I14_2
Point_
I14_3
Point_
I14_4
Zone_I14
Point_
I14_2
Point_
I14_3
Point_
I14_4
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.5
1.0
1.5
102
103
104
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Zone I14
Nom
bre corrigé de bactéries dans 100ml
Zone_I15
Point_
I15_2
Point_
I15_3
Point_
I15_4
Zone_I15
Point_
I15_2
Point_
I15_3
Point_
I15_4
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.5
1.0
1.5
102
103
104
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Zone I15
Nom
bre corrigé de bactéries dans 100ml
Zone_I16
Point_
I16_2
Point_
I16_3
Point_
I16_4
Zone_I16
Point_
I16_2
Point_
I16_3
Point_
I16_4
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.5
1.0
1.5
102
103
104
105
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Zone I16
Nom
bre corrigé de bactéries dans 100ml
indicateur _ NGSTotal fecal
Ecoli/100mlEntero/100ml
Introducing : HostFecal DataBase
Database of known GI bacterial genera linking 16S sequences to the Host source
Ref Alignment
Source Ontology
Phylogene*c Mapping Database with host specific sequences
50 genera
>1,000,000 16S entries
I14_1
_WoC_S
01
I14_2
_WoC_S
01
I14_3
_WoC_S
01
I14_4
_WoC_S
01
I15_1
_WoC_S
01
I15_2
_WoC_S
01
I15_3
_WoC_S
01
I15_4
_WoC_S
01
I16_1
_WoC_S
01
I16_2
_WoC_S
01
I16_3
_WoC_S
01
I16_4
_WoC_S
010.0
0.5
1.0
Fecal Taxa - Week 1
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
I14_1
_WoC_S
01
I14_2
_WoC_S
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I14_3
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I15_1
_WoC_S
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I15_2
_WoC_S
01
I15_3
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01
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_WoC_S
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I16_1
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01
I16_2
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01
I16_3
_WoC_S
01
I16_4
_WoC_S
010.0
0.5
1.0
Fecal Taxa - Week 1 - Host colours
Rel
ativ
e po
pula
tion
abun
danc
e (%
)
Human Fish Environment Cattle Mixte Dog
16S Metagene*cs
HostFecal DB
I14_1_WoC_S01
I15_1_WoC_S01
I16_1_WoC_S01
I14_1_WoC_S02
I15_1_WoC_S02
I16_1_WoC_S02
I14_1_WoC_S03
I15_1_WoC_S03
I16_1_WoC_S03
I14_2_WoC_S01
I15_2_WoC_S01
I16_2_WoC_S02
I14_2_WoC_S02
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I14_2_WoC_S03
I15_2_WoC_S03
I16_2_WoC_S03
I14_3_WoC_S01
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I14_3_WoC_S02
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I16_3_WoC_S02
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I14_4_WoC_S01
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I16_4_WoC_S02
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I15_4_WoC_S03
I16_4_WoC_S03
Human Fish Environment Cattle Mixte Dog
I14 I14-2 I14-3 I14-4
I15 I15-2 I15-3 I15-4
I16 I16-2 I16-3 I16-4
w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3
w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3
w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3 w 1 w 2 w 3
L’iden*té des bactéries n’est plus un prérequis pour l’exploita*ons des
données métagéné*ques
Est-il possible d’intégrer ces données dans les modèles de gestion des eaux ?
TAKE HOME MESSAGES L'explora*on des flores microbiennes
54 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
55 ULg – Faculté de Médecine Vétérinaire -‐ FARAH
L’explora*on des écosystèmes microbiens, c’est
Facile, rapide et pas trop cher.
Applicable dans tous les domaines : R&D
Quality managment Troubleshooting
Complémentaire à la métagénomique
PASSIONNANT et promis à un bel avenir