Summary : Enterococcus faecium possesses a low affinity PBP5 that, like in other enterococci, is an important factor contributing to the intrinsic resistance to penicillin. The structure of PBP5 soluble form in complex with benzylpenicillin has been solved at 2.1 Å resolution. On the basis of this 3D structure, it was proposed that the I623KEKQDEKG631 turn connecting β3 and β4 strands and constituting one wall of the active site, as well as, R464 involved in a salin-bridge near the active site could be responsible for the low β-lactam affinity of PBP5fm The k2/K of sPBP5fm acylation by various b-lactams have been determined and, as expected for a low affinity PBP, they are very low. Mutants were constructed to determinate the role of the residues pointed in the 3D structure as related to the observed low affinity. For the sPBP5fm∆I7G mutant, the acylation rate constants are similar to those measured for sPBP5fm. However, when compared to the wild type, the mutants without salin-bridge show a higher affinity that could be explained as the consequence of an easier accessibility to the active site for the inactivator. This study allows mapping active site cavity and determines the importance of structural elements to understand the low affinity of PBP5. Furthermore, three news β-lactams (ceftaroline, ceftobiprole and ME1036) were tested against PBP5fm and they all exhibit inhibitory activity against the protein. Ceftaroline appears as the best inhibitor of sPBP5fm as well as the best inhibitor while tested on Enterococcus faecium cultures. Résumé : Enterococcus faecium possède une protéine PBP5 de faible affinité, qui est un facteur important de la résistance intrinsèque à la pénicilline. La structure de la forme soluble dans PBP5 complexés avec la benzylpénicilline a été résolue à 2,1 Å. Sur la base de cette structure 3D, il a été proposé que la boucle I623KEKQDEKG631 reliant brins β3 et β4 et pouvant constituer une barrière pour atteindre le site actif, ainsi que, R464 impliqué dans un pont-salin près du site actif qui pourrait être responsable de la faible affinité β-lactamines de PBP5fm. Dans un 1er temps, les k2/K de sPBP5fm sauvage par diverses β-lactamines ont été déterminées, et comme prévu, elles sont très faibles. Dans un 2nd temps, les mutants ont été produits, purifiés et caractérisés de manière à déterminer le rôle des résidus choisis dans la faible affinité. Pour le mutant sPBP5fmΔI7G, les constantes de vitesse acylation sont similaires à ceux mesurée pour sPBP5fm sauvage. Tandis que les mutants sans le pont salin R464-D481 montrent une relative plus grande affinité par rapport au type sauvage, qui pourrait être expliqué par un accès plus facile de linhibiteur au site actif. Cette étude permet une première cartographie de la cavité du site actif de PBP5fm et qui détermine limportance ou non déléments de structure pour comprendre la faible affinité. Trois nouvelles β-lactamines (ceftaroline, ceftobiprole et ME1036) ont été testés contre PBP5fm et elles présentent une activité inhibitrice de PBP5fm. La ceftaroline apparaît comme le meilleur inhibiteur de PBP5fm ainsi que le meilleur inhibiteur lors des essais sur les cultures Enterococcus faecium.

Mycobacterium abscessus est une mycobactérie responsable principalement d’infections pulmonaires, en particulier chez les patients atteints de mucoviscidose ou de dilatation des bronches. M. abscessus est naturellement résistante aux antituberculeux, laissant peu d’options thérapeutiques. Le traitement de référence associait classiquement un aminoside, un macrolide (clarithromycine) et une β-lactamine (céfoxitine ou imipénème), avec un taux de succès d’environ 50 %. Cependant, des souches résistantes à la clarithromycine sont fréquemment isolées, remettant en cause l’utilisation de cet antibiotique. M. abscessus produit naturellement une β-lactamase à large spectre (BlaMab) mais les mécanismes d’action des β-lactamines n’ont pas été étudiés chez cette espèce, ce qui constitue une entrave à l’optimisation des traitements par cette classe d’antibiotiques. Le premier objectif était d’identifier et de caractériser les cibles des β-lactamines chez cette espèce. Inhibant la dernière étape de polymérisation du peptidoglycane, les cibles potentielles des β-lactamines sont trois familles d’enzymes : les D,D-transpeptidases et les D,D­carboxypeptidases appartenant à la famille des protéines de liaison à la pénicilline (PLP), ainsi que les L,D-transpeptidases qui sont majoritairement responsables de cette dernière étape chez cette espèce. Pour identifier les cibles, des mutants résistants aux β-lactamines ont été sélectionnés à partir de la souche de référence M. abscessus CIP104536 et d’un dérivé portant une délétion du gène blaMab (∆blaMab). Pour les deux souches, l’émergence de la résistance aux β-lactamines a requis de multiples étapes, ce qui constitue un atout pour leur utilisation thérapeutique. Pour les mutants obtenus à partir de la souche CIP104536, les analyses phénotypiques ont montré que la résistance aux β-lactamines n'est pas due à une augmentation de l’efficacité catalytique de BlaMab, à une surproduction de cette enzyme, ou à une diminution de la perméabilité. Le séquençage des génomes de mutants résistants n’a pas révélé de mutations dans les gènes codant pour les L,D-transpeptidases, mais des mutations ont été trouvées dans des gènes codant pour deux PLP. D’autres mutations se situent dans des gènes codant en particulier pour des protéines non caractérisées. L’acquisition de la résistance pourrait donc dépendre de mutations affectant des facteurs essentiels à l’activité des cibles des β­lactamines. Le deuxième objectif était d’étudier et de comparer l’activité in vitro des β-lactamines sur M. abscessus. Des expériences de bactéricidie et d’activité intracellulaire chez le macrophage infecté ont été effectuées pour les souches CIP104536 et ∆blaMab. Parmi les antibiotiques étudiés (amikacine, céfoxitine, imipénème, ceftaroline, et amoxicilline), l’imipénème est le plus efficace sur les deux souches. Sur la souche ∆blaMab, l’association d’imipénème et d’amikacine est bactéricide. En l’absence de BlaMab, l’amoxicilline est aussi efficace que l’imipénème. L’avibactam augmente l’activité de la ceftaroline mais l’inhibition de BlaMab est seulement partielle en intracellulaire. Les résultats obtenus in vitro montrent que l’imipénème est supérieur à la céfoxitine pour des concentrations atteignables dans le sérum. L’inhibition de BlaMab pourrait augmenter l’efficacité de l’imipénème et d’autres composés utilisés pour traiter les infections pulmonaires à M. abscessus. / Mycobacterium abscessus is an important pathogen responsible for pulmonary infections in cystic fibrosis patients or in patients suffering from bronchiectasis. The treatment of infections due to M. abscessus is complicated since this bacterium is naturally resistant to the anti­tuberculous agents. The recommended treatment includes an aminoglycoside, a macrolide (clarithromycin) and a β-lactam (cefoxitin or imipenem), with a success rate of about 50 %. However, strains resistant to clarithromycin are frequently isolated, questioning the use of this antibiotic. M. abscessus naturally produces a broad spectrum β-lactamase (BlaMab) but the mechanisms of action of the β-lactams have not been studied in this species, impairing the optimization of the treatment by these antibiotics. The first objective was to identify and characterize the targets of β-lactams antibiotics in this species. Inhibiting the final stage of the peptidoglycan polymerization, the potential targets of β-lactams are three families of enzymes: the D,D-transpeptidases and D,D­carboxypeptidases belonging to the family of penicillin-binding proteins (PBP), and the L,D-transpeptidases which are mainly responsible for this final stage in this species. To identify the targets, mutants resistant to β-lactams have been selected from the reference strain M. abscessus CIP104536 and from its β-lactamase-deficient derivative ΔblaMab. For both strains, the emergence of resistance to β­lactams has required multiple steps, which is an advantage for the therapeutic use of these antibiotics. For the mutants derived from the strain CIP104536, phenotypic analyzes showed that the resistance to β-lactams is not due to an increase in the catalytic efficiency of BlaMab, to an overproduction of this enzyme, or to a decrease in permeability. Genomes sequencing of the resistant mutants did not reveal mutations in the genes encoding the L,D-transpeptidases, but mutations have been found in genes encoding two PBPs. Other mutations have been detected in genes encoding uncharacterized proteins. Acquisition of resistance could therefore depend on mutations affecting key factors essential for the activity of β-lactams targets. The second objective was to study and compare the in vitro activities of β-lactams against M. abscessus. Bactericidal experiments and intracellular activity in the infected macrophage were performed for the strains CIP104536 and ΔblaMab. Among the antibiotics tested (amikacin, cefoxitin, imipenem, ceftaroline, and amoxicillin), imipenem is the most effective agent against the two strains. Combination of imipenem and amikacin was bactericidal against the ΔblaMab mutant. In the absence of BlaMab, amoxicillin was as active as imipenem. Avibactam increased the intracellular activity of ceftaroline but inhibition of BlaMab was only partial intracellularly. Evaluation of the killing and intracellular activities of β-lactams indicates that imipenem is superior to cefoxitin at clinically achievable drug concentrations. Inhibition of BlaMab could improve the efficacy of imipenem and extend the spectrum of drug potentially useful to treat pulmonary infections.

Les Penicillin-Binding Proteins (PBP) sont des enzymes intervenant dans les étapes finales de la synthèse de la paroi bactérienne et sont les cibles des antibiotiques de la famille des β-lactamines. Dans les souches cliniques de Streptococcus pneumoniae résistantes aux β-lactamines, les PBPs ont de nombreuses mutations qui ont pour effet une diminution d'affinité de ces enzymes pour les antibiotiques. Il y a en moyenne 40 substitutions dans le domaine transpeptidase des deux acteurs majeurs de la résistance PBP2x et PBP1a.<br />Des études précédentes ont décrit le rôle de quatre mutations de PBP2x et de trois de PBP1a, mais celles-ci ne sont responsables que d'une partie de la résistance. Il n'y a très probablement qu'un nombre restreint de mutations responsables de la perte d'affinité des PBPs pour les β-lactamines ayant pour conséquence une augmentation du niveau de résistance.<br />Pour identifier toutes les mutations impliquées, une série de protocoles automatisés permettant de faire de la mutagénèse dirigée, de l'expression, de la purification et de la caractérisation fonctionnelle d'enzymes en utilisant des robots de types manipulateurs de liquides ont été développés. L'application de cette méthode nous a permis de réaliser une caractérisation exhaustive de plus de 40 mutations de PBP2x de la souche clinique<br />résistante 5204. Cette étude a abouti à l'identification de toutes les substitutions clés ainsi qu'à l'élucidation d'un nouveau mécanisme moléculaire de baisse d'affinité de PBP2x pour les β-lactamines. De plus, une étude fonctionnelle et phénotypique de la résistance impliquant PBP1a a été réalisée.<br />Ce travail apporte une vue globale des mécanismes moléculaires de la résistance de S. pneumoniae aux β-<br />lactamines impliquant les PBPs en utilisant une méthode exhaustive originale.

Mycobacterium tuberculosis est responsable de 8,7 millions de nouveaux cas de tuberculose et de 1,4 millions de décès en 2011. L’émergence de souches résistantes aux deux antituberculeux majeurs, isoniazide et rifampicine, (MDR) et aux antibiotiques de seconde ligne (XDR), ainsi que la difficulté d’éradiquer les formes « dormantes » du bacille nécessitent la recherche de nouveaux antibiotiques. Les β-lactamines n’ont jamais été utilisées en thérapeutique car M. tuberculosis produit une β-lactamase à large spectre, BlaC. Cependant, l’association d’une β-lactamine appartenant à la classe des carbapénèmes, le méropénème, et d’un inhibiteur de β-lactamase, l’acide clavulanique, est active sur M. tuberculosis incluant des souches XDR. Notre objectif a été de caractériser les cibles des carbapénèmes qui sont atypiques chez M. tuberculosis, parce que le peptidoglycane de cette bactérie contient majoritairement (80%) des ponts interpeptidiques formés par une classe particulière de transpeptidases, les L,D-transpeptidases. Nous avons comparé les cinq L,D-transpeptidases de M. tuberculosis au niveau de leur activité in vitro dans la formation des ponts interpeptidiques du peptidoglycane et dans la réaction d’inactivation par les carbapénèmes. Nous avons ainsi pu montrer que les cinq L,D-transpeptidases sont fonctionnelles in vitro. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt4 et LdtMt5 sont capables de former des ponts interpeptidiques du peptidoglycane reliant l’acide aminé en position 3 d’un substrat tétrapeptidique donneur à l’acide aminé en position 3 d’un substrat tétrapeptidique accepteur. Ces mêmes enzymes peuvent également utiliser la D-méthionine comme accepteur dans une réaction d’échange de la D-Ala4 du substrat tétrapeptidique. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt3 et LdtMt4 forment un complexe covalent avec les carbapénèmes. La réaction d’inactivation des L,D-transpeptidases par les carbapénèmes se déroulent en deux étapes. Dans un premier temps, un intermédiaire covalent réversible est formé (constante catalytique k1) puis la deuxième étape aboutit à la formation de l’acylenzyme (constante catalytique k2). La détermination des constantes catalytiques d’inactivation k1 et k2 a révélé d’importantes différences entre les carbapénèmes. Excepté pour LdtMt1, l’imipénème inactive plus rapidement les L,D-transpeptidases que les autres carbapénèmes suggérant que des modifications de la chaine latérale pourraient être envisagées pour optimiser l’activité « anti-mycobactérienne » de cette classe de β-lactamines. Nous avons en parallèle initié l’étude de la régulation des L,D-transpeptidases dans différentes conditions de culture ce qui permettra à terme d’identifier les L,D-transpeptidases essentielles pour la croissance et la persistance de M. tuberculosis. Ce travail pourrait déboucher sur l’identification de cibles essentielles permettant l’éradication des formes dormantes de M. tuberculosis qui sont très difficile à traiter. / Mycobacterium tuberculosis is responsible for 8.7 million of new cases of tuberculosis (TB) and 1.4 million of deaths in 2011. The emergence of strains resistant to the two first-line anti-TB drugs, isoniazid and rifampicin, (MDR), to second line-drugs (XDR) and the difficult to kill dormant forms of the bacilli require the discovery of new anti-TB antibiotics. β-lactams are usually not considered for tuberculosis treatment since M. tuberculosis produces a broad-spectrum β-lactamase, BlaC. However, the combination of β-lactam belonging to the carbapenem class, meropenem, with β-lactamase inhibitor, clavulanate, is notably active on XDR strains. Our aim was to characterize the carbapenem targets, atypical in M. tuberculosis, since peptidoglycan of this bacteria contains a majority (80%) of cross-links formed by a special transpeptidase family, the L,D-transpeptidases. We have compared the five L,D-transpeptidases of M. tuberculosis for their in vitro activities with respect to peptidoglycan dimers formation and for inactivation reaction by carbapenems. Thus, we have showed that the five L,D-transpeptidases were functional in vitro. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt4 et LdtMt5 were able to form peptidoglycan cross-links binding the third amino acid of a donor tetrapeptide substrate with the third amino acid of an acceptor tetrapeptide substrate. These enzymes were also able to use D-methionine as an acceptor in exchange reaction of D-Ala4 of the donor tetrapeptide substrate. LdtMt1, LdtMt2, LdtMt3 et LdtMt4 formed a covalent adduct with carbapenems. The inactivation reaction of L,D-transpeptidases by carbapenems proceed through two steps. In first, a reversible covalent adduct is formed (catalytic constant k1), followed by a second step leading to acylenzyme formation (catalytic constant k2). The determination of kinetic constants of inactivation k1 et k2 revealed important differences between carbapenems. Except for LdtMt1, Imipenem inactivates L,D-transpeptidases more rapidly than other carbapenems indicating that modification of the carbapenem side chain could be used to optimize their anti-mycobacterial activity. In parallel, we have started the study of the L,D-transpeptidases regulation in various culture conditions will allow identifying the L,D-transpeptidases essential for growth and persistence of M. tuberculosis. This work might lead to identification of essential targets allowing eradication of M. tuberculosis dormant forms, which are difficult to treat with conventional anti-TB drugs.

L’augmentation et la dissémination de la résistance aux β-lactamines chez les bacilles à Gram négatif, particulièrement les Entérobactéries, les bactéries du genre Pseudomonas et Acinetobacter, représentent un problème majeur de santé publique. Les infections nosocomiales causées par ces bactéries multi-résistantes (BMR) ont conduit à une augmentation de la mortalité, de la morbidité et du coût de traitement. L’utilisation abusive et non contrôlée de ces antibiotiques a grandement contribué à la large diffusion de cette résistance. Ainsi, face à cette préoccupation mondiale et suite à de nombreuses recommandations, plusieurs études épidémiologiques et moléculaires ont été rapportées afin de contrôler et de surveiller la diffusion et la dissémination des BMR. Contrairement à de nombreuses régions dans le monde, il existe peu d’informations concernant la caractérisation moléculaire des gènes de résistance aux β-lactamines des bacilles à Gram négatif isolés en Tunisie et surtout en Libye. C’est dans cette optique que ce projet de Thèse de Doctorat s’articule avec comme objectifs: (i) mettre en évidence la prévalence des bacilles à Gram négatifs multi-résistants isolés aux niveaux des hôpitaux tunisiens et libyens (ii) identifier le support génétique de la résistance aux β-lactamines de ces souches cliniques (iii) étudier la diversité clonale des souches multi-résistantes par typage moléculaire. / The increase and spread of β-lactam resistance in gram negative bacteria especially Enterobacteriaceae, Pseudomonas and Acinetobacter (E.P.A) species have become a major concern worldwide. The hospital-acquired infections caused by MDR bacteria have led to an increase in mortality, morbidity and cost of treatment. The frequent misuse of antibiotic drug has greatly contributed to worldwide dissemination of antibiotics resistance. Front of this worldwide concern, and various recommendations, several epidemiological and molecular studies have been reported in order to control the spread and the dissemination of these MDR. Unlike many parts of the world, there is little information concerning the molecular characterization of the β-lactam resistance genes of Gram-negative bacilli isolated in Tunisia and especially in Libya. Therefore, it is in this context that the project of this thesis was conducted with essential objectives: (i) highlight the prevalence of multi-resistant Gram negative bacilli isolated in Tunisian and Libyan hospitals (ii) identify the genetic support of resistance to β-lactams of these clinical strains (iii) study the clonal diversity of the multi-resistant strains by molecular typing (iii) study the molecular epidemiology of these BMRs in these countries in order to control the decision-making process of the treatment and the rapid identification of epidemics by implementing appropriate control measures for the spread of infections and especially developing new tools and software for the diagnosis and monitoring of potential MDR bacteria in Mediterranean countries.

Les antibiotiques β-lactamines sont parmi les médicaments antimicrobiens les plus anciens et les plus utilisés. L'enzyme bactérienne β-lactamase hydrolyse l'antibiotique β-lactame en cassant la structure de base "anneau β-lactame". Pour identifier les nouvelles β-lactamases, une étude complète a été réalisée dans diverses bases de données biologiques telles que Human Microbiome Project, env_nr et NCBI nr. L'analyse a révélé que les séquences ancestrales putatives et les recherches de profil HMM jouaient un rôle important dans l'identification de la base de données homologue et métagénomique à distance dans l'enzyme β-lactamase existante comme matière noire. Les larges analyses phylogénétiques des β-lactamases existantes et nouvellement identifiées représentent les nouveaux clades dans les arbres. En outre, l'activité d'hydrolyse des antibiotiques β-lactamines de séquences nouvellement identifiées (provenant d'archées et d'humains) a été étudiée en laboratoire, ce qui montre l'activité de la β-lactamase. La deuxième phase de l'étude a été entreprise pour examiner l'évolution fonctionnelle des β-lactamases. Premièrement, des séquences de protéines ß-lactamase 1155 ont été extraites de la base de données ARG-ANNOT et des valeurs CMI la littérature correspondante. Les résultats ont révélé que l'activité fonctionnelle de la β-lactamase évoluait de manière convergente au sein de la classe moléculaire. La troisième phase de cette thèse représente le développement d'une base de données intégrative de β-lactamases. La base de données publique actuelle de β-lactamases a des informations limitées, par conséquence, une base de données intégrative a été développée. / The β-lactam antibiotics are one of the oldest and widely used antimicrobial drugs. The bacterial enzyme β-lactamase hydrolyzes the β-lactam antibiotic by breaking the core structure “β-lactam ring”. To identify the novel β-lactamases a comprehensive investigation was performed in different biological databases such as Human Microbiome Project, env_nr, and NCBI nr. The analysis revealed that putative ancestral sequences and HMM profile searches played a significant role in the identification of remote homologous and uncovered the existing β-lactamase enzyme in the metagenomic database as dark-matter. The comprehensive phylogenetic analyses of extant and newly identified β-lactamase represent the novel clades in the trees. Further, the β-lactam antibiotic hydrolysis activity of newly identified sequences (from archaea and human) was investigated in laboratory, which shows β-lactamase activity.The second phase of the investigation was undertaken to examine the functional evolution of β-lactamases. First, 1155 β-lactamase protein sequences were retrieved from ARG-ANNOT database and MIC values from the corresponding literature. The results revealed that the functional activity of β-lactamase evolved convergently within the molecular class.The third phase of this thesis presents development of an integrative β-lactamase database. The existing public database of β-lactamase has limited information, therefore, an integrative database was developed.