Pseudomonas aeruginosa and Candida albicans have shown antagonistic relationships, both in vivo and in vitro. The interaction between P. aeruginosa and C. albicans is one of the many prokaryotic-eukaryotic interactions existing in nature and needs more research due to their complex pathogenicity in humans. In this work, we have studied growth dynamics of Candida in a mixed population of Pseudomonas and Candida, and their receptor and ligand specificities, both from an ecological and a molecular point of view. Initially, growth, viability, and morphogenesis of Candida were studied in the presence of Pseudomonas and the conditioned medium of Pseudomonas using two Candida strains, namely CAF2 and tup1 mutant. The killing effect of Pseudomonas was more pronounced on the hyphal form of Candida. However, growth of Candida was inhibited by Pseudomonas irrespective of its morphological form. The conditioned medium had no effect on the growth rate of Candida. Nevertheless, it completely inhibited the germination of Candida. The attachment of Pseudomonas to Candida was studied using different strains of both, and with Pseudomonas cells harvested at different stages of its growth. The percent attachment varied with the age of the textit Pseudomonas culture. A lecB mutant of Pseudomonas showed a two-fold reduction in attachment compared to the wild type PAK strain. Carbohydrate inhibition studies confirmed that LecB is not directly involved in the attachment mechanism, but indirectly involves through regulating the expression of other proteins required for attachment. A genomic DNA library of Pseudomonas PAO1 was screened for clones that had acquired the ability to attach to C. albicans. A clone was isolated with a small increase in attachment and was subjected to genetic analysis. It contained nucleotides 458565 to 475917 of the Pseudomonas genome including some genes of the Pil-Chp gene cluster. Seven transposon mutants that represent mutations in ChpA,B,C,D,E operon and three other ORFs were selected, and their attachment ability was tested. All seven mutants showed a reduction in attachment indicating that this was a non specific effect, which could be attributed to the in vitro manipulation of the bacteria. We conclude that the attachment of Pseudomonas to Candida is multi-factorial.

The opportunistic bacterial pathogen Pseudomonas aeruginosa uses type IV pili (T4P) for adherence to, and rapid colonization of, surfaces via twitching motility. T4P are formed from thousands of pilin (PilA) subunits. Two groups of P. aeruginosa pilins were described previously (I and II), distinguished by protein length and sequence. PilA_I was glycosylated with an O-antigen subunit through the action of PilO/TfpO, encoded downstream of pilA_I. To determine if additional pilin variants existed, analysis of the pilin locus of >300 P. aeruginosa strains from a variety of environments was conducted. Three additional pilin alleles were discovered, each of which was invariantly associated with a unique, previously unidentified, downstream gene(s): pilA_III+tfpY, pilAIV+tfpW+tfpX, pilA_V+tfpZ. This survey also revealed that strains with group I T4P were more commonly associated with respiratory infections than strains with other pilins, suggesting that glycosylated T4P may confer a colonization advantage in this environment. The newly identified group IV pilin, represented by strain Pa5196, migrated aberrantly through SDS-PA gels, suggesting it was also glycosylated, a hypothesis confirmed by periodic acid-Schiff staining and mass spectrometry (MS) analyses. Disruption of Pa5196 O-antigen biosynthesis did not prevent the production of glycosylated pilins, demonstrating that these pilins were modified in a novel manner, unlike group I pilins. Using MS, nuclear magnetic resonance spectroscopy and site-directed mutagenesis, the Pa5196 pilins were shown to be uniquely modified with homo-oligosaccharides of mycobacterial-like α-1,5-D-arabinofuranose at multiple locations. Residues Thr64 and Thr66, located on the αβ-loop region of the protein, appear to be the preferred, but not exclusive sites of modification, each being modified with up to four D-Araf sugars. This region of the pilin is partially surface-exposed in the pilus, therefore modification of these sites may influence the surface chemistry of the fibre. Residues Ser81, Ser82, Ser85 and Ser89, located in the β-strand region, were also modified, mainly with mono- and disaccharides. Bioinformatic analyses and mutagenesis of TfpW suggest that this novel protein is an arabinosyltransferase necessary for PilA_IV modification. This research has increased our understanding of the complexity of this virulence factor, and may aid in development of new therapeutics for P. aeruginosa and mycobacterial infections.

Escapin is an L-amino acid oxidase that produces antimicrobial metabolites collectively called “Escapin Intermediate Products” (EIP-K). EIP-K and H2O2 together were previously shown to be bactericidal towards diverse planktonic bacteria. The present work investigates the ability of EIP-K and H2O2 to antagonize bacterial biofilms, using Pseudomonas aeruginosa as a model. The project had three aims: 1) determine the most effective concentrations of EIP-K and H2O2 necessary to break down existing P. aeruginosa biofilms, using a crystal violet assay; 2) examine the ability of EIP-K + H2O2 to inhibit biofilm formation, using triphenyl tetrazolium chloride dye; and 3) determine the effect of EIP-K + H2O2 on the viability, biomass and structure of biofilms cultivated in flow cells using confocal laser scanning microscopy (CLSM). Results showed that EIP-K + H2O2 significantly reduced biofilm biomass relative to controls and that the compounds are effective at nanomolar concentrations.

Los biotensioactivos son compuestos producidos por microorganismos que poseen actividad superficial, baja toxicidad, carácter biodegradable y efectividad a temperaturas y valores de pH extremos. Los ramnolípidos, son un tipo de biotensioactivos con interesantes actividades biológicas, que parecen estar relacionadas con su interacción con las membranas. En esta tesis doctoral se estudia la interacción de la fracción dirramnolipídica purificada de cultivos de Pseudomonas aeruginosa con membranas modelo y membranas biológicas, la interacción con albúmina de suero bovino, utilizada como proteína modelo, y por último, se evalúa el papel de este biotensioactivo en la estabilización de liposomas sensibles a pH y su aplicación en la introducción de compuestos en células animales. Para el desarrollo de este trabajo de investigación se han utilizado técnicas como calorimetría, FT-IR, difracción de rayos X, dispersión de luz dinámica y microscopía electrónica. / Rhamnolipids are bacterial biosurfactants produced by Pseudomonas spp. These compounds have been shown to present several interesting biological activities. It has been suggested that the interaction with the membrane could be the ultimate responsible for these actions. This thesis presents a detailed molecular level study of the dirhamnolipid interactions with artificial phospholipids membranes and biological membranas, and the dirhamnolipid interactions with bovine serum albumin, used as a general globular protein model. Furthemore, this work includes the characterization of phosphatidylethanolamine/diRL pH-sensitive liposomes described as efficient systems for cytoplasmic delivery of foreign compounds into living cells. It has been employed a number of physical techniques such as calorimetry, FTIR, small angle X-ray (SAX) diffraction and dynamic light scattering.

Le système de sécrétion de type III est présent chez plusieurs pathogènes à Gram négatif chez qui cette véritable nanomachine est impliquée dans le transport de molécules de virulence directement des bactéries vers le cytoplasme des cellules-cible. Pseudomonas aeruginosa, bactérie dont l'aiguille de sécrétion de type III est étudiée dans cette thèse, est responsable de nombreuses maladies nosocomiales ainsi que d'infections chez les patients atteints de mucoviscidose. Ce système de sécrétion est composé d'une base ancrée dans la double membrane bactérienne et d'une structure creuse en forme d'aiguille qui est un homopolymère d'une petite protéine.<br /><br />Dans le cytoplasme bactérien, la protéine PscF qui forme l'aiguille de type III chez P. aeruginosa est stabilisée avant sa sécrétion par 2 chaperonnes distinctes; PscE et PscG. Ceci est nécessaire à la fonctionnalité du système de sécrétion de type III.<br /><br />La structure cristallographique à 2.0A de résolution du complexe hétérotrimérique PscE:PscF55-85-PscG révèle que le domaine C-terminal de la protéine de l'aiguille PscF, impliqué dans le processus de polymérisation, est enfoui dans une cavité hydrophobe de la protéine PscG repliée de façon semblable à un domaine TPR. Ceci montre que le repliement macromoléculaire nécessaire pour stabiliser la protéine de l'aiguille de type III est différent de celui décrit chez le pilus de type IV et le flagelle. Les résidus qui précèdent l'hélice C-terminale de PscF sont maintenus dépliés par des interactions hydrophobes avec PscG. Ainsi, avant sa sécrétion, PscF est maintenue partiellement dépliée par ses chaperonnes. Elle transiterait ensuite sous forme partiellement dépliée à travers l'aiguille avant de se replier lors de sa polymérisation.<br /><br />La rupture des interactions spécifiques entre PscG et PscF entraîne une nette baisse de la cytotoxicité de la bactérie envers une lignée de macrophages, ce qui indique que cet hétérotrimère essentiel, qui possède des homologues chez une grande variété de pathogènes, est une cible thérapeutique attractive pour le développement de nouveaux médicaments.

La colonisation chronique des poumons par P. aeruginosa est une cause majeure d'infection<br />et de mortalité chez les patients atteints de mucoviscidose (CF). Pour la bactérie pathogène, la<br />capacité à adhérer aux cellules hôtes est essentielle pour initier l'infection, et les<br />glycoconjugés présents à la surface des cellules épithéliales sont autant de cibles pour les<br />récepteurs bactériens. Chez les patients CF, des modifications surviennent dans les<br />glycoconjugués des surfaces épithéliales ainsi que dans les mucines pulmonaires et salivaires.<br />Une augmentation d'oligosaccharides fucosylés de type Lewis est observée, souvent<br />accompagnée de sialylation et/ou sulfatation.Une lectine soluble, PA-IIL, reconnaissant<br />spécifiquement le fucose, a été identifiée dans le cytoplasme de P. aeruginosa. Cette lectine,<br />également présente sur la surface de la bactérie, pourrait être impliquée dans la<br />reconnaissance de l'hôte et/ou dans la formation du biofilm responsable de la résistance de la<br />bactérie contre les antibiotiques. Les travaux développés dans la thèse portent sur l'étude<br />structurale et thermodynamique de l'interaction de PA-IIL avec des ligands naturels et des<br />glycomimétiques de synthèse. Des tests d'interaction ELLA (Enzyme-Linked Lectin Assays)<br />ont été mis en place afin d'évaluer les propriétés inhibitrices de ces composés. Ces travaux<br />constituent une première approche dans la conception de composés dérivés des sucres<br />pouvant servir comme alternative aux antibiotiques utilisés dans les infections survenants<br />chez les patients atteints de mucoviscidose. (Projet financé par l'association: Vaincre la<br />Mucoviscidose)

The growing bacterial resistance against antibiotics creates a limitation for using traditional antibiotics and requests development of new approaches for treatment of bacterial infections. Among the bacterial infections that are most difficult to treat, biofilm-associated infections are one of the most hazardous. Consequently, the prevention of biofilm formation is a very important issue. One of the techniques that are widely investigated nowadays for this purpose is surface modification by polymer brushes that allows generating antifouling antibacterial surfaces. Previously, it was reported that salicylidene acylhydrazides (hydrazones) are good candidates as antivirulence drugs targeting the type three secretion system (T3SS). This secretion system is used by several Gramnegative pathogens, including Pseudomonas aeruginosa, to deliver toxins into a host cell. Furthermore, the chemical structure of these substances allows formation of complexes with metal ions, such as Fe3+ and Ga3+. The antibacterial activity of Ga3+ is well known and attributed to its similarity to the Fe3+ ion. It has also been shown that Ga3+ ions are able to suppress biofilm formation and growth in bacteria. In this thesis the chemistry of antibacterial and antivirulence Ga3+-Hydrazone complexes in solution was studied. First, to get insights in the solution chemistry, the protonation and the stability constants as well as the speciation of the Ga3+-Hydrazone complexes were determined. Additionally, a procedure for anchoring one of the hydrazone substances to antifouling polymer brushes was optimized, and the resulting surfaces were characterized. Results showed that the complexation with Ga3+ ions stabilizes the ligand and increases its solubility. Ga3+ ion binds to the hydrazone molecule forming a strong chelate that should be stable at physiological conditions. The different biological assays, such as Ga3+ uptake, antivirulence and antibiofilm effects, indicated very complex interaction of these complexes with the bacterial cell. Negatively charged and zwitterionic surfaces strongly reduced protein adsorption as well as biofilm formation. Therefore, the antifouling zwitterionic poly-[2-(methacryloyloxy)ethyl]dimethyl-3- sulfopropyl)-ammonium hydroxide (pMEDSAH) brushes were post-modified and successfully functionalized with bioactive substances via a block-copolymerization strategy. However, in order to maintain the availability of the bioactive substance after functionalization, the hydrophobic polyglycidylmethacrylate (pGMA) top block is probably better to functionalize with a lipophilic molecules to reduce diblock copolymer brush rearrangement.

La saprolégniose est une maladie fongique causée par le champignon aquatique Saprolegnia sp. qui affecte les poissons sauvages et ceux provenant des piscicultures. L’apparition de touffes cotonneuses semblables à de la ouate de couleur blanche à grise est souvent la première indication de l’infection. Ce saprophyte ubiquitaire se nourrit habituellement des œufs de poissons morts, mais peut se propager rapidement aux œufs sains causant la mort de ces derniers. La saprolégniose est souvent une infection secondaire, mais des souches virulentes peuvent facilement se développer sur les salmonidés ayant subi un stress ou une mauvaise manipulation. De grandes pertes économiques associées à la saprolégniose sont rapportées chaque année à travers le monde surtout dans l’industrie de la pisciculture. Jusqu’en 2002, le contrôle de la saprolégniose pouvait se faire par l’utilisation du vert de malachite, un colorant organique ayant une grande activité antifongique. Malheureusement, cette molécule a été bannie à cause de ses propriétés cancérigènes. Aucun composé aussi efficace n’est actuellement disponible pour traiter les infections de la saprolégniose. Des molécules ou extraits naturels ayant un potentiel antifongique ont donc été testés à l’aide de deux techniques (par graines de chanvre et par cylindre d’agar). Les molécules d’un extrait de propolis (cire de ruches d’abeilles) démontrant de l’activité anti-Saprolegnia ont été identifiées. De plus, une bactérie, Pseudomonas aeruginosa, pouvant être retrouvée dans le même environnement que Saprolegnia sp. a démontré un effet antagoniste au champignon. Une molécule de signalisation intercellulaire produite par P. aeruginosa, 4-hydroxy-2-heptylquinoline (HHQ), a été identifiée comme responsable de l’effet antagoniste contre Saprolegnia sp. / Saprolegniosis, a fungal disease which affects wild and farm fish, is caused by the water mold Saprolegnia sp. Visible cotton-like white or grey patches on fish skin are often the first sign of infection. This ubiquitous saprophyte infects dead fish eggs and then spreads to healthy eggs resulting in major losses due to mortalities. Saprolegniosis is often a secondary infection; however some virulent strains are known to cause primary infection on injured or stressed salmonids. Important economic losses in aquaculture are reported every year worldwide due to saprolegniosis. Infection by Saprolegnia sp. was well controlled with the use of an organic dye with great antifungal efficacy; malachite green. Unfortunately, the use of malachite green was banned in 2002 worldwide due to its carcinogenic and toxicological effects. Up until now, no new treatment as effective as malachite green has been discovered. Natural extracts or molecules with potential antifungal properties have also been tested using two techniques (with hemp seeds and with agar cylinders). Molecules from propolis extracts (beeswax), active against Saprolegnia sp. have been identified. Furthermore, culture supernatant of the bacteria Pseudomonas aeruginosa was found to be able to inhibit the growth of Saprolegnia. The intercellular signal molecule produced by P. aeruginosa 4-hydroxy-2-heptylquinoline (HHQ) was identified as the active compound against Saprolegnia.

L'interaction non-covalente entre un ligand et un récepteur selon un modèle clé-serrure constitue une des bases essentielles de tout système biologique. La présence de multiples clés et serrures sur les biomolécules conduit à des interactions multivalentes. Les lectines sont très fréquemment structurées en homo-multimères et sont donc des cibles de choix pour l'étude des interactions avec des structures multivalentes glycosylées. Ligands et récepteurs multivalents peuvent obéir à plusieurs mécanismes d'association conduisant à des profils thermodynamiques et cinétiques permettant de rationnaliser les améliorations spectaculaires d'affinité souvent observées. L'utilisation de ligands de faible valence et de petite taille permet une présentation contrôlée des sucres au travers d'une structure unique bien définie. Ces glycoclusters sont des plateformes adaptées à l'étude de l'influence de la topologie de la présentation des sucres sur l'interaction. La synthèse de glycoclusters a été optimisée selon une voie convergente de glycosylation puis de couplage par CuAAC permettant la synthèse de structures multi-glycosylées telles que des calix[4]arènes de différentes conformations, des peptoïdes linéaires et cycliques ou encore des porphyrines. Ces ligands ont été évalués par quatre techniques d'analyse des interactions (HIA, ELLA, SPR, ITC) principalement en présence de la lectine PA-IL de Pseudomonas aeruginosa mais également avec la Galectine-1 humaine et la lectine d'Erythrina cristagalli (légumineuse). Des glycoclusters de seconde génération ont été ensuite été préparés avec l'objectif d'optimiser les composantes enthalpiques et entropiques de l'interaction. Les résultats indiquent que de légères modifications de la présentation des sucres peuvent induire des mécanismes d'association différents. La conception de structures rigidifiées a révélé des profils thermodynamiques contre-intuitifs qui ont pu être modélisés. Par cette étude, plusieurs ligands ont montré des affinités sans précédent pour la lectine PA-IL. Le meilleur ligand multivalent de première génération a confirmé un potentiel thérapeutique prometteur in vivo.

La pathogénicité de P. aeruginosa (P. a) repose sur de nombreux facteurs de virulence dont le système de sécrétion de type III (SST3). Ce complexe multiprotéique est constitué d'une aiguille se terminant par un translocon composé des protéines PopB et PopD. En s'insérant dans les membranes plasmiques, le translocon permet le passage des exotoxines dans le cytoplasme de la cellule cible. L'induction de la synthèse et de la sécrétion des exotoxines est dépendante d'un contact entre P. a et la cellule cible. Dans ce travail, nous avons examiné l'influence de facteurs cellulaires sur l'efficacité de translocation des toxines. L'utilisation d'un système rapporteur fluorescent CCF2/β-lactamase a permis de visualiser l'injection de toxine. En parallèle, l'association des protéines du translocon avec la membrane de la cellule hôte a été évaluée par immunodétection de PopB/D après fractionnement des membranes sur gradient de sucrose. Les cellules promyelocytaires HL-60 et promonocytaires U937 sont résistantes à l'injection de toxine, bien que PopB et PopD soient associées à la membrane. Après différenciation en neutrophiles, or monocytes/macrophages, ces cellules deviennent sensibles à l'injection sans que l'on détecte de variation notable de la quantité de protéines du translocon insérées dans la membrane. Le traitement des cellules HL-60 sensibles avec un agent déplétant le cholestérol, entraine une diminution de l'injection de toxine. De plus, la protéine PopB est retrouvée dans la fraction membranaire, obtenue par purification sur gradient de sucrose, contenant le marqueur des radeaux lipidiques flotilline. Par une approche pharmacologique, nous apportons la preuve que, en plus de la composition de la membrane, des voies de signalisation intracellulaires impliquées dans la polymérisation de l'actine sont essentielles pour la formation d'un pore fonctionnel.