Parmi les bactéries pathogènes, les entérobactéries occupent une place particulière du fait de leur facilité d’étude génétique et de leur grande diversité d’hôtes. Dickeya dadantii est une bactérie pathogène des plantes, responsable de pourriture sur de nombreux végétaux en culture ou lors de leur stockage. Sa virulence est principalement due à la sécrétion d’enzymes dégradant la paroi végétale. Ce travail de thèse a porté sur la caractérisation génétique et biochimique de glycosidases de D. dadantii afin de comprendre leur importance dans la dégradation des tissus végétaux. Dans ce travail, nous avons montré que D. dadantii est capable d'utiliser le saccharose, le raffinose, ou le mélibiose comme seule source de carbone pour sa croissance grâce aux deux clusters de gènes scrKYABR et rafRBA, incluant les glycosidases RafA (α-galactosidase, famille GH36) et ScrB (sucrose hydrolase, famille GH32). Le cluster raf permet le catabolisme du mélibiose. Le catabolisme du raffinose nécessite deux étapes supplémentaires fournies par les gènes scrY et scrB. En outre, nous avons caractérisé et analysé deux autres gènes. D’une part, le gène bgxA code une β-D-glucosidase/β-xylosidase (famille GH3). Ce gène est induit en présence de sucres et acides phénoliques. D’autre part, le gène xydA code une enzyme à activité α-L-arabinopyranosidase (famille GH43). Ce gène est induit en présence de xylose. Les résultats obtenus suggèrent que BgxA et XydA sont impliquées dans la dégradation de composés végétaux. La mise en évidence de nouvelles enzymes impliqués dans la pathogénie des bactéries envers leurs hôtes ouvrirait la voie à la recherche de stratégies de lutte contre les phytopathogènes. / Enterobacteriaceae are of particular interest among pathogenic bacteria, because of their suitability for genetic studies and their wide range of hosts. Dickeya dadantii is a plant pathogenic bacterium , causing soft rot diseases in a wide range of plant species in culture or during storage. Its virulence is mainly due to the secretion of plant cell wall degrading enzymes. This thesis has focused on genetic and biochemical characterization of D. dadantii glycosidases to understand their importance in the degradation of plant tissues. In this work, we showed that D. dadantii is able to utilize sucrose, raffinose, or melibiose as sole carbon sources for growth. This ability is due of the presence of two gene clusters, scrKYABR and rafRBA, including the glycosidases RafA (α-galactosidase, GH36) and ScrB (sucrose hydrolase, family GH32). The cluster raf allows catabolism of melibiose. Raffinose catabolism requires two additional steps provided by the genes scrY and scrB. In addition, two other genes were analyzed and characterized. On one hand, bgxA encodes a β-D glucosidase/β-xylosidase of the family GH3. This gene is induced in the presence of phenolic sugars and acids On the other hand, XydA encodes an α-L-arabinopyranosidase of the family GH43. This gene is induced in the presence of xylose. The results suggest that BgxA and XydA are involved in the degradation of plant compounds. Identification of new enzymes involved in the pathogenesis of bacteria towards their hosts could open the way for research strategies to fight plant pathogens.

Les bactéries ont longtemps été considérées comme des organismes unicellulaires. Cependant, elles se comportent comme des systèmes multicellulaires dans lesquels des cellules séparées communiquent ensemble en utilisant des systèmes moléculaires appelés autoinducteurs. Ce processus, appelé Quorum Sensing (QS), est capable de détecter la densité de population bactérienne et régule ainsi l'expression de certaines fonctions biologiques importantes, telles que la virulence bactérienne ou la formation de biofilm, liées à la pathogénicité humaine ou à la croissance végétale. Comme le QS implique plusieurs types de molécules, il s'agit donc d’une thématique intéressante pour les études à l’interface chimie biologie visant à synthétiser des molécules capables de moduler le QS. Deux aspects du QS sont étudiés dans cette thèse: Le premier est la conception, la synthèse et l'évaluation biologique d’analogues d’autoinducteurs en tant que modulateur QS bactérien. Dans cette section, différentes relations structure-propriété d'un type d'auto-inducteur chez les bactéries Gram-négatives : les Acyl Homoserine Lactones (AHL) ont été étudiées. Ces études montrent que la chiralité de l’homosérine lactone est importante, que le remplacement du groupe amide central par des hétérocycliques ou des composés AHL structurellement non apparentés jouent un rôle important dans la modulation QS. Dans une deuxème partie, une étude structurale a permis de comprendre comment l’agrocinopine A a été en mesure d'intervenir dans le processus du QS c’est à dire la production de signaux AHL et d'activer la virulence bactérienne chez la bactérie Agrobacterium tumefaciens. Le rôle clé du groupement pyranose-2-phosphate de l'agrocinopine est démontré comme étant responsable de sa reconnaissance par les protéines de transport AccA et de la régulation du QS. Dans l'ensemble, cette thèse est la combinaison de deux composés organiques synthétiques liés au QS, tous deux destinés à améliorer les connaissances de base de ce processus biologique, contribuant potentiellement à l'avenir à de nouvelles stratégies capables d'influencer la pathogénicité bactérienne. / Over the past decades, it has been recognized that the social communication of bacteria either play a beneficial role or can worse pathogenicity in plant and human health. The language of bacteria used for communication are signal molecules called auto-inducers (AIs), which are regulated by themselves. This specific bacterial regulation process is termed as “quorum sensing (QS)”, by which bacteria coordinate various phenotypes such as biofilm formation or virulence factors in many microorganisms. To artificially alter the QS response of bacteria through design of QS chemical signal molecules for improving the pathogenicity have attracted the attention with innovative antibacterial strategies. Two chemical approaches towards bacteria QS have been studied in this thesis. One contributed to the design, synthesis and biological evaluation of novel QS inhibitors, another focused on the investigation of the role of agrocinopine and analogues in QS regulation in a specific bacteria Agrobacterium tumefaciens (AT). Both aimed at improving basic knowledge on QS biological processes in bacteria. The first part figured out the chirality-activity relationship of Acyl Homoserine Lactones (AHLs), studied the replacement of the central amide group of AHLs by heterocyclic scaffolds, and designed a family of nitroaniline derivatives as LuxR-regulated QS inhibitors. The L-one of enantiomeric AHLs was found to be predominant in QS modulation, and some AHLs unrelated nitroaniline compounds were capable of inhibiting LuxR type of QS, whereas the bioactivity of heterocyclic scaffolds depends on its substitution sites. The second part elaborated the mechanism by which agrocinopine A and its analogues were able to involve QS process, and activate virulence spread in AT. A series of analogues of agrocinopine A have been synthetized for investigating their binding properties with AccA. A specific key pyranose-2-phosphate motif has been identified to be responsible for both antibiotic import and QS regulation in AT.

Le système de sécrétion de type II (T2SS) est largement exploité par les bactéries à Gram négatif pour sécréter divers facteurs de virulence depuis le périplasme vers le milieu extra-cellulaire. La bactérie phytopathogène Dickeya dadanti (ex. Erwinia chrysanthemi) utilise ce système, appelé Out, pour la sécrétion de pectinases responsable de la maladie de la pourriture molle chez de nombreuses plantes. Les deux composants essentiels du système Out, la protéine de membrane interne OutC et la sécrétine OutD, formant un pore dans la membrane externe, sont impliqués dans la spécificité de sécrétion. L'interaction entre OutC et OutD pourrait assurer l’intégrité structurelle et fonctionnelle du système de sécrétion en reliant les deux membranes. Nous avons entrepris une étude structure-fonction de ces deux composants afin d’identifier et caractériser leurs sites d’interaction et de mieux comprendre leurs rôles. Nous avons appliqué une approche intégrative impliquant une analyse in vivo par cystéine-scanning et pontage disulfure, une analyse in vitro par GST pull down et une analyse structurale d’OutC et OutD et de leurs interactions par RMN. Nos résultats indiquent la présence d'au moins trois sites d'interaction entre les régions périplasmiques d’OutC et d’OutD et suggèrent que ces interactions s’établissent par un mécanisme d’addition des brins β. Nous avons démontré qu’un site situé sur le domaine HR d’OutC pouvait interagir avec deux sites distincts d’OutD suggérant un mode d’interaction alternatif. La présence d’exoprotéines et/ou des composants de membrane interne du système OutE-L-M, modifie différemment l’affinité de ces trois sites d'interaction entre OutC et OutD. Nous proposons que ces interactions alternatives entre divers sites d’OutC et OutD pourraient refléter une succession d’étapes fonctionnelles lors du processus de sécrétion. Pour étudier le mécanisme d’adressage et d’assemblage de la sécrétine OutD dans la membrane externe, nous avons exploité les interactions entre OutD et deux composants auxiliaires du T2SS, la protéine de la membrane interne OutB et la lipoprotéine de la membrane externe OutS. Nous avons montré une interaction directe entre le domaine périplasmique d’OutB et le domaine N0 d’OutD. Une analyse structure-fonction du complexe OutS-OutD a révélé que la pilotine OutS interagit fortement avec 18 résidus à l’extrémité C-terminale de la sécrétine, entraînant la structuration sous forme hélicoïdale de cette région initialement non structurée. Ce travail nous permet de mieux comprendre le mécanisme d’assemblage et de fonctionnement du système de sécrétion de type II. / The type II secretion system (T2SS) is widely exploited by Gram-negative bacteria to secrete diverse virulence factors from the periplasm into the extra-cellular milieu. The phytopathogenic bacterium Dickeya dadanti (ex. Erwinia chrysanthemi) uses this system, named Out, to secrete several cell-wall degrading enzymes that cause soft-rot disease of many plants. The two core components of the Out system, the inner membrane protein OutC and the secretin OutD, which forms a secretion pore in the outer membrane, are involved in secretion specificity. The interaction between OutC and OutD could assure the structural and functional integrity of the secretion system by connecting the two membranes. To understand structure-function relationships between these two components and characterize their interaction sites, we applied an integrative approach involving in vivo cysteine scanning and disulfide cross-linking analysis, truncation analysis of OutC and OutD combined with in vitro GST pull-down, and structural analysis of these proteins and of their interactions by NMR. Our results indicate the presence of at least three interacting sites between the periplasmic regions of OutC and OutD and suggest a β-strand addition mechanism for these interactions. We demonstrated that one site of the HR domain of OutC can interact with two distinct sites of OutD suggesting an alternative mode of their interactions. The presence of exoproteins or/and the inner membrane components of the system OutE-L-M differently alters the affinity of the three OutC-OutD interacting sites. We suggest that successive interactions between these distinct regions of OutC and OutD may have functional importance in switching the secretion machinery between different functional states. To study the mechanism of the targeting and assembly of the secretin OutD into the outer membrane, we exploited the interactions between OutD and two auxiliary proteins, i.e., the inner membrane protein OutB and the outer membrane lipoprotein OutS. We showed a direct interaction between the periplasmic domain of OutB and the N0 domain of OutD. Structure-function analysis of OutS-OutD complex shows that the pilotin OutS binds tightly to 18 residues close to the C-terminus of the secretin subunit causing this unstructured region to become helical on forming the complex. This work allows us to better understand the assembly and function mechanism of the type II secretion system.

Le système Tat (pour Twin Arginine Translocation) exporte des protéines repliées depuis le cytoplasme vers le périplasme des bactéries. L’adressage des protéines à exporter au système Tat repose sur une séquence signal spécifique amino terminale clivée après exportation. Chez le phytopathogène Dickeya dadantii, l’homologue de pectine lyase PnlH possède une séquence signal Tat qui assure son adressage au système Tat mais qui n’est pas clivée après exportation et ancre la protéine dans la membrane externe. Chez les protéobactéries, la majorité des protéines de membrane externe sont soit des lipoprotéines soit des protéines intégrales de membrane en tonneau β. L’adressage de ces protéines à la membrane externe repose sur des voies spécifiques du type de protéine : la voie Lol pour les lipoprotéines et la combinaison des chaperons périplasmiques SurA, Skp et DegP et du complexe de membrane externe Bam (β barrel assembly machinery) pour les protéines en tonneau β. Au cours de ce travail, l’étude de l’adressage de PnlH à la membrane externe a montré que SurA se liait à la séquence signal hydrophobe de PnlH pour la protéger de l’environnement hydrophile au cours de son transit dans le périplasme. La séquence signal de PnlH (41 acides aminés) porte l’intégralité de l’information nécessaire à son adressage à la membrane externe. La nature de l’information adressant les protéines au système Tat est bien connue et dans ce travail nous nous sommes efforcés d’identifier les informations requises pour les deux dernières étapes de l’adressage de PnlH à la membrane externe : la traversée du périplasme et l’insertion dans la membrane externe. La délétion d’une région conservée comprise entre les résidus 28 et 41 de la séquence signal de PnlH affecte l’adressage de cette dernière à la membrane externe. Des substitutions des acides aminés conservés de cette région ne semblent pas affecter l’adressage de PnlH, indiquant que l’information nécessaire à l’adressage de PnlH à la membrane externe après exportation ne réside pas dans la séquence en acides aminés de la séquence signal de PnlH. En revanche, nos données suggèrent que la présence d’une hélice α hydrophobe dans la séquence signal de PnlH est importante pour son adressage à la membrane externe. Cette observation est particulièrement intéressante puisqu’une telle structure est généralement considérée comme une caractéristique des protéines de membrane interne. / The Twin Arginine Translocation (Tat) pathway exports folded proteins from the cytoplasm to the periplasm of bacteria. The targeting of the exported proteins to the Tat pathway relies on a specific amino-terminal signal sequence, which is cleaved after exportation. In the phytopathogen Dickeya dadantii the pectin lyase homologue PnlH is exported by the Tat pathway without cleavage of its signal sequence, which anchors PnlH into the outer membrane. In proteobacteria, the vast majority of outer membrane proteins consists of β-barrel proteins and lipoproteins. Targeting of these proteins to the outer membrane relies on two pathways: the periplasmic chaperones SurA, Skp and DegP work together with the β-Barrel-Assembly Machinery (Bam) to target and insert β-barrel proteins into the outer membrane while the Lol pathway targets and insert lipoproteins. In this work, we showed that SurA binds to the hydrophobic PnlH signal sequence during the course of its periplasmic transit. The PnlH signal sequence (41 residues) carries all the information necessary to the targeting of PnlH to the outer membrane. The nature of the information that targets proteins to the Tat system is well charcterized. Thus, we focused on the nature of the information carried by the PnlH signal sequence and that allows its crossing of the periplasm and its insertion in the outer membrane. The deletion of a conserved region of the PnlH signal sequence between residues 28 and 41 strongly affects the targeting of PnlH to the outer membrane. None of the single amino acid substitutions constructed in this region obviously affected the targeting of PnlH, indicating that the information may not reside in the amino acid sequence of the PnlH signal sequence. Consistently, our data suggest that the presence in the PnlH signal sequence of an α helix with a hydrophobic cluster is important for the targeting of PnlH to the outer membrane. This observation is striking since such a structure is considered as an inner membrane protein property.

Les bactéries sont capables de communiquer entre elles afin de coordonner l’expression de certains gènes en fonction de leur densité de population. Ce système de communication utilise de petites molécules appelées autoinducteurs (AIs) comme messagers chimiques et est connu sous le nom de Quorum Sensing (QS). Chez les bactéries pathogènes, les gènes régulés sont, en particulier, ceux codant pour la production des facteurs de virulence et la structuration des biofilms. Ainsi des inhibiteurs du QS chez ces bactéries pourraient être de nouveaux agents anti-bactériens alternatifs aux antibiotiques actuels. Chez les bactéries à Gram-négatif, les AIs sont très majoritairement des acyl-homosérine lactones (AHLs). Utilisant deux approches, la conception rationnelle et le criblage virtuel, nous avons découvert cinq nouvelles familles d’antagonistes des AHLs, ainsi qu’un certain nombre d’agonistes. Nous avons également préparé des analogues d’antagonistes naturels de la famille des bromo-furanones, afin d’établir une étude structure-activité de ce type de composés. / The bacteria are able to communicate with each other for coordinating gene expression depending on their population density. This communication system use small molecules called autoinducers (AIs) as chemical messengers and is referred to as quorum sensing (QS). In pathogenic bacteria, the regulated genes are, in particular, those coding for the production of virulence factors and biofilms formation. Thus, inhibitors of bacterial QS could be used as new anti-bacterial agents providing an alternative to current antibiotics. In Gram-negative bacteria, the main AIs are acyl-homoserine lactones (AHLs). Using two approaches, rational design and virtual screening, we have discovered five new families of AHLs antagonists, and some agonists. We have also prepared analogues of natural bromo-furanones antagonists, in order to establish a structure-activity study of this type of compounds.

Les bactéries pathogènes coordonnent de manière très stricte l’expression de leurs facteurs de virulence en fonction de leur état métabolique, des conditions externes et de l’état de l’hôte. La topologie du chromosome bactérien est également modulée par les conditions environnementales et l’état métabolique des cellules. Le surenroulement de l’ADN, est considéré désormais comme un élément clé de la régulation de l’expression génique. L’objectif de cette thèse est d’identifier les acteurs essentiels de la réponse aux conditions rencontrées durant l’infection chez la bactérie phytopathogène Dickeya dadantii, responsable de la pourriture molle d’une large gamme d’hôtes. Les symptômes de pourriture molle sont principalement associés à la synthèse d'enzymes extracellulaires, en particulier les pectinases qui vont dégrader la paroi des cellules végétales. Cependant une colonisation efficace de la plante requiert de nombreux facteurs additionnels. L’analyse du transcriptome de D. dadantii dans 32 conditions de culture proches de celles rencontrées lors du cycle infectieux a révélé qu’en moyenne 63% des gènes sont exprimés dans chacune des conditions testées alors que 82% des gènes sont exprimés dans au moins une des conditions analysées. Deux facteurs modifient profondément l’expression génique: la phase de croissance et la nature des stress appliqués. L’analyse des gènes différentiellement exprimés a permis d’établir des signatures transcriptionnelles et fonctionnelles spécifiques de chaque stress et d’identifier de nouveaux régulateurs potentiellement impliqués dans la survie aux stress. L’adaptation au stress acide étant peu connue chez les pathogènes de plante, la régulation de quelques gènes spécifiquement induits en stress acide a été approfondie. Ces études ont révélé que le régulateur OmpR est un élèment clé de la réponse au stress acide chez Dickeya. Afin d’établir un lien entre réponse aux stress et impact de la topologie de l’ADN et des NAPs, les profils transcriptionnels obtenus lors des stress ont été comparés à ceux obtenus dans des conditions de relaxation artificielle de l’ADN et chez des mutants fis ou hns. La distribution chromosomique des GDE a révélé des profils cohérents de gènes activés ou réprimés lors des variations de conditions environnementales quelque soit le milieu de culture utilisé et l’existence de patchs d’expression qui illustre l’organisation en domaines du chromosome bactérien.L’expression des gènes au sein des domaines est dépendante de leur propriété thermodynamique, de leur préférence vis à vis du surenroulement, et de leur réponse aux NAPs. Ainsi, Dickeya tire partie des variations topologiques de l’ADN au cours de l’infection pour coordonner son programme de virulence. Ces résultats illustrent la complexité des processus utilisés par D. dadantii pour s’adapter aux conditions de l’infection et coloniser ses hôtes. / Pathogenic bacteria strictly coordinate the expression of their virulence factors according to their metabolic states, external conditions and the host environment. The topology of the bacterial chromosome is also modulated by environmental conditions and the metabolic state of the cells. The DNA supercoiling is now considered as a key factor in the regulation of gene expression. The objective of this thesis is to provide a comprehensive picture of the Dickeya infection process by integrated analyses of gene expression patterns obtained under various stress conditions encountered by this pathogen in the course of infection. Dickeya dadantii is a plant pathogenic bacterium that causes soft-rot disease in a wide range of plant species. Soft rot symptoms are mainly associated with the synthesis of extracellular enzymes, particularly pectinases which degrade the plant cell wall. However, an effective colonization of the plant requires a number of additional factors. The transcriptome analysis of D. dadantii, grown in a suite of thirty-two different growth conditions similar to those conditions encountered during the infection cycle revealed that an average of 63% of genes was expressed in each individual condition, while 82% of genes are expressed in at least one of the analyzed conditions. Two factors profoundly alter gene expression: the growth phase and the nature of applied stress. Analysis of differentially expressed genes in this work has established specific transcriptional and functional signatures of each stress and proposed new regulators potentially involved in survival under stress conditions. In this way, we obtained the apparent « temporal map » of the bacterial responses to sequential stress conditions encountered during the infection. The chromosomal distribution of DEG revealed coherent patches of genes activated or repressed during changes in environmental conditions and highlighted a rational organization of the DEG in the chromosomal space. Gene expression within the chromosomal domains is dependent on primary sequence organisation, DNA thermodynamic stability, supercoil dynamics, and binding effects of two abundant nucleoid associated proteins, FIS and H-NS. Therefore, Dickeya takes advantage of DNA topological variations during the infection to coordinate its virulence program. These results illustrate the complexity of mechanisms used by D. dadantii to adapt to stress conditions and colonize its hosts.

Répondre aux besoins énergétiques croissants de nos sociétés et limiter leur impact sur l’environnement est un enjeu actuel majeur. De nouvelles technologies alternatives comptent tirer profit de sources d’énergie négligées. Le potentiel énergétique des eaux usées peut être exploité par de nouvelles technologies telles que les piles à combustible microbiennes (PACM). Ces piles, pouvant produire de l’énergie électrique à partir d’eaux usées, montrent une diminution de leur rendement énergétique lorsque leur taille augmente, ce qui ne permet pas encore leur application industrielle. Ces travaux de thèse visent à identifier certains verrous de ce changement d’échelle et à proposer de nouvelles directions pour leur optimisation. Une première partie s’est intéressée à l’influence des collecteurs de courant anodiques sur les performances électriques et sur le développement du biofilm électro-actif. Nous avons émis l’hypothèse qu’à grande échelle, les collecteurs de courant peuvent être un élément limitant à la production d’électricité. Pour vérifier cette hypothèse, quatre PACM avec une anode de 490 cm² connectée de différentes manières ont été étudiées. L’augmentation du nombre de collecteurs a permis une hausse de la puissance produite par les PACM. La disposition des collecteurs affecte la répartition du potentiel sur la surface d’anode et peut engendrer dans certains cas, des gradients de potentiel qui influencent la structure microbiologique du biofilm, en particulier Geobacter. Par ailleurs, des mesures d’impédance ont montré que multiplier les collecteurs augmente la capacité de double couche de l’anode et engendre un courant capacitif dont l’importance pour les performances de fonctionnement en cycles de charge/décharge est non négligeable. La suite du travail s’est attachée à prendre en compte différents aspects physiques, notamment l’aspect hydrodynamique, afin de modéliser leur fonctionnement. Pour cela, trois PACM de volumes différents ont été mises en œuvre et testées à différents débits. Les données de configuration, d’opération et de performances de ces piles ont permis de construire des modèles statistiques de régression linéaire multiple prédisant la valeur de puissance maximale. Ces deux modèles ont montré que la puissance maximale produite était principalement corrélée à la vitesse de l’électrolyte circulant dans la pile et à la contrainte de cisaillement appliquée à l’anode par le mouvement du fluide. Ces deux parties ont également montré que l’abondance dans le biofilm de Geobacter, une bactérie électro-active très répandue dans les PACM, n’était pas corrélée avec la puissance maximale. Tout en étant très abondante, son seul nombre n’explique donc pas entièrement les performances électriques d’une PACM. / Facing increasing energy needs and limiting their impact on the environment are current and major issues for society. Renewable energy development is needed and new alternative technologies could benefit from exploiting neglected energy sources, such as microbial fuel cells (MFC), for energy production. MFCs can be operated with wastewater and produce a reasonable quantity of energy at the small laboratory-scale. Unfortunately, when their size is increased, their efficiency dramatically decreases, which prevents their industrial use. This thesis aims at identifying some obstacles to scale-up of MFC and proposing new directions for its optimization. The first part of the study was focused on the influence of anodic current collectors on electrical performance and on electroactive biofilm development. Our hypothesis was that they could be a limiting factor for electricity production at large scales. To test this hypothesis, four MFCs were operated with a 490 cm² anode connected to the external circuit in a different ways. Increasing the number of collectors improved the power. Collector’s layout influenced electrical potential on the anode surface and created an electrical potential gradient on the anode and this gradient shaped the microbiological structure of the biofilm. This effect especially concerns Geobacter, whose clade G. metallireducens is favored at strongly negative potentials. In addition, impedance measurements showed that multiplying collectors increased the double layer capacitance and, thus, generated a capacitive current that was important for MFC functioning in cycles of charge/discharge and that would improve its performance. Then, MFCs were considered as bioreactors and their different aspects, notably hydrodynamics, were taken into account to model their power output. Three MFCs of different volumes were operated under continuous-flow conditions and tested at four different flow rates. Configuration, operation and performance data were used to build two multiple linear regression statistical models: the first with variables selection through LASSO, the second with dimensionless numbers created with the Vaschy-Buckingham theorem. These two data-driven models showed that the maximal power was mostly correlated to electrolyte transfer rates inside MFC chamber and to shear stress at the anode generated by fluid movement. These two major experimental projects also showed that the abundance of Geobacter, an electroactive bacteria, inside the biofilm was widespread in MFCs, but it was not correlated to maximal power. Despite its large abundance, its quantity alone does not entirely explain the performance of a MFC. In order to succeed at MFC scale-up, fundamental research on electroactive biofilms, process engineering and modeling need to be associated and generalized as empirical results and their explanation.

La bactérie phytopathogène Dickeya dadantii est responsable de la pourriture molle de nombreux végétaux. Elle sécrète dans le milieu extérieur toute une batterie d’enzymes capables de dégrader les constituants des parois végétales. La première partie de mon travail concerne les féruloyl estérases FaeD et FaeT. Les féruloyl estérases sont responsables de l’hydrolyse de liaisons ester entre l’acide férulique et les chaînes de xylane ou de pectine. En clivant ces liaisons, elles favorisent une dégradation complète de la paroi végétale. L'importance de ces enzymes nous a conduit à rechercher si D. dadantii produit de telles estérases. Le criblage d’une banque de gènes par un test de détection de l’activité féruloyl estérase a permis d’identifier deux gènes qui ont été caractérisés. Alors que faeT est faiblement transcrit dans toutes les conditions, la transcription de faeD est fortement induite en présence d’acide férulique et contrôlée par le régulateur FaeR. Alors que FaeT est une protéine cytoplasmique, FaeD est sécrétée par le système Out qui permet la sécrétion de nombreuses pectinases. Les enzymes FaeD et FaeT ont été surproduites dans E. coli et leurs principales propriétés biochimiques ont été déterminées. La connaissance de la séquence complète du génome de D. dadantii permet d’aborder des études de génomique fonctionnelle. Cette séquence confirme la présence des gènes codant les pectinases déjà caractérisées et révèle que ce génome code de nouvelles pectinases potentielles. La deuxième partie de mon travail concerne le gène pelN identifié par analyse du génome. Les pectate lyases coupent les liaisons glycosidiques du polygalacturonate par une réaction de β-élimination, générant des produits insaturés. Leur mécanisme d’action nécessite des cations comme cofacteur, en général Ca2+. Après clonage du gène pelN, la protéine PelN a été surproduite dans E. coli. Son activité pectate lyase a été prouvée en montrant sa capacité à produire des dérivés insaturés à partir de polygalacturonate ou de pectines plus ou moins méthylées. Cette étude démontre que PelN est la première pectate lyase utilisant les ions Fe2+ comme cofacteur préférentiel. Chez D. dadantii, l’expression du gène pelN dépend de divers régulateurs affectant la synthèse des pectinases, comme PecS ou GacA. PelN est une protéine extracellulaire sécrétée par le système Out. Ces études contribuent à mieux comprendre le rôle respectif des différentes enzymes impliquées dans la dégradation de la paroi végétale et le fonctionnement coopératif de ce système pluri-enzymatique. / The phytopathogenic bacterium Dickeya dadantii is responsible for soft rot diseases of various plants. It secretes in the external medium a large array of enzymes which are able to degrade the constituents of the plant-cell wall. The first part of my work was related to the féruloyl esterases FaeD and FaeT. Feruloyl esterases are responsible for the hydrolysis of ester linkages between ferulic acid and the xylan or pectin chains. By cleaving these linkages, they improve the complete degradation of the plant-cell wall. The importance of these enzymes led us to search whether D. dadantii produces such esterases. A gene bank screening using a specific detection test for the feruloyl esterase activity allowed us to identify two genes which were characterized. While faeT is weakly transcribed in all the conditions, the faeD transcription is strongly induced in the presence of ferulic acid and it is controlled by the regulator FaeR. Whereas FaeT is a cytoplasmic protein, FaeD is secreted by the Out system responsible for the secretion of several pectinases. The enzymes FaeD and FaeT were overproduced in E. coli and their main biochemical properties were determined. The determination of the complete sequence of the D. dadantii genome makes it possible to develop functional genomic studies. This sequence confirms the presence of genes encoding the previously characterized pectinases and it reveals that this genome encodes new potential pectinases. The second part of my work was related to the gene pelN identified by genome analysis. Pectate lyases cleave the glycosidic bounds in the polygalacturonate chain by a β-elimination reaction, generating unsaturated products. This reaction mechanism requires cations as cofactor, generally Ca2+. After cloning of the gene pelN, the protein PelN was overproduced in E. coli. Its pectate lyase activity was demonstrated by its capacity to produce unsaturated derivatives from polygalacturonate or pectins. This study showed that PelN is the first pectate lyase that uses Fe2+ ions as the preferential cofactor. In D. dadantii, the pelN expression depends on various regulators controlling the pectinase synthesis, such as PecS or GacA. PelN is an extracellular protein secreted by the Out system. These studies contribute to increase the knowledge on the respective role of the different enzymes involved in the degradation of the plant-cell wall and the cooperative interactions in this pluri-enzymatic system.

Les métaux sont indispensables à la vie cellulaire car ils sont constitutifs des protéines. Les ions Ni, font partie intégrante des hydrogénases, enzymes primordiales pour le métabolisme énergétique. Paradoxalement, en excès, les métaux deviennent toxiques pour la cellule. Les bactéries luttent contre cette toxicité en produisant des systèmes de résistance ou d’adaptation. Les cellules procaryotes peuvent équilibrer les teneurs en métaux en contrôlant leur entrée ou leur efflux grâce à la biogenèse de transporteurs spécifiques. L’objectif de ces travaux de thèse a consisté à comprendre les mécanismes principaux permettant à la bactérie modèle Escherichia coli de s’adapter à de fortes variations en ions métalliques, en prenant comme modèle un stress provoqué par un excès d’ions Ni. Afin d’appréhender l’ensemble de la réponse cellulaire, l’effet de ce stress a été évalué sur l’expression de l’ensemble des gènes d’E. coli par des approches de transcriptomique couplées à une validation fonctionnelle. L’excès d’ions Ni induit le système d’efflux RcnRAB. En plus de la pompe d’efflux RcnA, ce système comporte une protéine périplasmique, RcnB, qui module le trafic des ions Ni ou Co via RcnA. Ces travaux ont montré que RcnB n’interagit pas avec les ions Ni ou Co mais de façon inattendue avec les ions Cu, définissant une nouvelle classe de cupro-protéines. Nous montrons que si RcnB n’intervient pas dans le contrôle de l’homéostasie du Cu, l’interaction avec ces ions est essentielle à sa fonction dans la modulation de l’efflux des ions Ni et Co. Ces résultats suggèrent des connexions entre les différents systèmes de maintien des homéostasies métalliques. Les résultats d’analyse transcriptomique montrent une forte modulation de l’expression des gènes impliqués dans les homéostasies du Cu et du Fe en présence d’un excès d’ions Ni, corrélée à une augmentation cellulaire de leur teneur mesurée par spectrométrie plasma. Ces métaux sont responsables de la production d’espèces réactives oxygénées entraînant de sérieux dégâts cellulaires, une des cibles privilégiée étant l’ADN. Nous montrons que les ions Ni ne provoquent pas de cassures de l’ADN et n’ont pas d’effet mutagène, par contre ils provoquent une modification importante de l’état de repliement de l’ADN. Nous proposons que ce relâchement de l’ADN soit dû à l’induction indirecte d’un stress oxydant. Ces travaux ont aboutis à l’identification du premier système de transport spécifique des ions Ni à travers la membrane externe chez E. coli. En résumé, un excès d’ions Ni affecte les systèmes spécifiques d’entrée et d’efflux des ions métalliques troublant les teneurs intracellulaires des autres métaux comme le Cu et le Fe. Ces métaux sont en partie responsables de la production de ROS létaux pour les cellules bactériennes. L’excès de Ni va induire une profonde reprogrammation génétique entraînant des changements physiologiques multifactoriels importants pour la survie bactérienne dans ces conditions de stress. / Metals are necessary components of all living cells because they are constitutive of many essential proteins. Nickel, for example, is required for hydrogenase activity, which is essential for the energetic metabolism. However, metals become toxic when present in excess. Prokaryotes can overcome this toxicity by using several systems of resistance or adaptation. Import systems must be repressed whereas export pathways activated. This work consists in bringing out the principal strategies established by Escherichia coli for accommodating a stress caused by an excess of Ni ions. In order to understand the cellular response, the effect of nickel stress has been evaluated in E. coli by a transcriptomic approach coupled to functional validation. Excess Ni induces the biosynthesis of the efflux system RcnRAB. In addition to the RcnA efflux pump, this system contains a periplasmic protein called RcnB. This protein modulates Ni and Co traffic. RcnB displayed no Ni or Co binding capacity but was shown to bing Cu ions. RcnB was characterized as a new family of cupro-protein. We showed that RcnB is not involved in the control of Cu homeostasis but that Cu binding is essential for its Ni and Co efflux function. Our results suggest connections between different systems of metals homeostasis. Indeed, RNA-Seq data analysis revealed that exposure to Ni induces strong variations of the expression of genes involved in Cu and Fe homeostasis. Our results correlated with an increase of intracellular Cu and Fe pools as assayed by plasma spectrometry. Both metals are involved in reactive oxygen species (ROS) production and generate serious cell damages, targeting DNA for example. We showed that Ni ions do not trigger DNA breakage and are not mutagenic. On the other hand, Ni stress has a strong effect on DNA folding. We propose that excess Ni causes DNA relaxation by the indirect induction of oxidative stress. Furthermore, we identified the first transport system specific for Ni ions localized in the outer membrane. This system, composed of YddA and YddB, allows the transfer of Ni ions accross the two membranes. The genes encoding these proteins are expressed in conditions evocative of a biofilm lifestyle. Moreover, this work showed that Ni stress promotes biofilm growth instead of a planktonic one. Indeed, in the presence of an excess of Ni ions, genes encoding flagella are down regulated whereas genes encoding adherence structures are up regulated. To conclude, an excess of Ni ions affects specific metals import and efflux systems unbalancing intracellular Fe and Cu contents. These metals in turn generate ROS that are toxic for the bacterial cells. Ni stress induces large transcriptomic modifications causing major physiological changes important for the survival of the bacteria.

Le système de sécrétion de type II (T2SS) est largement répandu chez les bactéries à Gram négatif et est, entre autre, exploité par de nombreux pathogènes pour sécréter des facteurs de virulence dans le milieu extérieur. Le T2SS est constitué de 12 à 15 protéines différentes s’associant en une machinerie complexe qui traverse la totalité de l’enveloppe bactérienne. Ce système assure la sécrétion de protéines repliées du périplasme au milieu extracellulaire. Le mode de fonctionnement de cette machinerie n’est toujours pas connu. Pour comprendre les mécanismes moléculaires régissant la sécrétion des protéines par le T2SS, nous avons utilisé comme modèle le T2SS de la bactérie phytopathogène Dickeya dadantii, nommé Out, qui assure la sécrétion de pectinases entrainant la pourriture molle chez de nombreux végétaux. Nous avons employé des approches de pontage disulfure, double hybride bactérien et GST-pull down afin d’étudier l’arrangement et l’organisation des composants au sein du système de sécrétion. Nous avons ainsi montré que les composants de la membrane interne et la sécrétine de la membrane externe se coordonnent entre eux grâce à un réseau d’interactions complexe et dynamique qui peut être modifié par la présence d’une protéine à sécréter. En combinant des approches génétiques, biochimiques, structurales et bioinformatiques, nous avons étudié le mécanisme de reconnaissance de la pectinase PelI, par deux composants majeurs du système, la protéine de membrane interne OutC et la sécrétine OutD qui forme le pore du T2SS dans la membrane externe. Nous avons montré que PelI interagit avec les domaines périplasmiques HR et PDZ d’OutC et N0 et N1 d’OutD. La présence de N1 renforce l’interaction PDZ/PelI suggérant que le processus de sécrétion pourrait être régi par une succession de contacts synergiques. PDZOutC reconnait une boucle de 9 résidus au sein de l’exoprotéine PelI. Cette boucle constitue un motif d’adressage spécifique contrôlant le recrutement de PelI par la machinerie de sécrétion Out. Des études in silico et in vivo ont montré l’existence de régions similaires à cette boucle au sein d’autres pectinases sécrétées par D. dadantii. Par ailleurs, l’interaction N1OutD/PelI impliquerait un contact de brins β ainsi que la région non structurée située en amont de N1. Ces travaux constituent la première démonstration expérimentale du rôle de signal de sécrétion d’un élément structural précis d’une exoprotéine sécrétée par un T2SS. Ils ont également permis pour la première fois de caractériser des sites précis d’interactions entre une protéine sécrétée et des composants du T2SS. Cette étude constitue une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes moléculaires qui gouvernent le recrutement et la sécrétion des protéines par le système de type II. / The type II secretion system (T2SS) is widespread in Gram-negative bacteria. It is notably exploited by various pathogenic bacteria to secrete virulence factors into the extracellular milieu and host tissues. The T2SS is composed of 12 to 15 proteins that assemble together into a complex machine that spans the bacterial envelope. It allows the translocation of fully folded proteins from the periplasm across the outer membrane. The exact mode of action of this sophisticated machine is still unknown. The phytopathogenic bacterium Dickeya dadantii uses a T2SS, named Out, to secrete several plant cell-wall degrading enzymes that cause the soft rot disease of many plants. We used the Out system of this bacterium as a model to study the molecular mechanism of protein secretion by T2SS. In order to study the mutual arrangement of the different components of this machinery, we used disulfide bonding, bacterial two hybrid and GST-pull down. We showed that the components of the inner membrane platform interact together and we characterized several interfaces between the inner membrane component OutC and the outer membrane secretin OutD. These various contacts create a complex and dynamic network within the secretion machine that can be modulated by the presence of a protein to be secreted. Subsequently, we combined genetic, biochemical, structural and bioinformatics approaches to study how the pectinase PelI is recognized by the inner membrane component OutC and the pore-forming secretin OutD. We showed that PelI interacts with the periplasmic domains HR and PDZ of OutC and N0 and N1 of OutD. The presence of N1OutD positively modulates the PDZ/PelI interaction, suggesting that protein progression through the T2SS could involve a succession of synergistic contacts. The OutC PDZ domain recognizes a short loop of PelI. This loop acts as a specific secretion signal that controls exoprotein recruitment by the T2SS. Concerted in silico and in vivo approaches suggest the occurrence of equivalent secretion motifs in other exoproteins. The interaction between PelI and OutD could involve a β-strand contact and an intrinsically disordered region located upstream of N1. This work provides the first experimental evidence of molecular mechanisms that govern exoprotein recruitment by the T2SS. Notably, we identified a short structural element acting as a secretion signal and characterized for the first time the interfaces between the T2SS components and a protein to be secreted. This study provides important new mechanistic insights to understand the functioning of this secretion machine.