La résistance aux antibiotiques est responsable de nombreuses maladies et décès depuis plusieurs décennies. L'augmentation de la résistance bactérienne a donc encouragé les chercheurs à développer de nouveaux antibiotiques, et de nouvelles stratégies pour contrer les différents mécanismes de résistance. L'un des mécanismes de résistance les plus notables est la formation de biofilms. Par conséquent, notre groupe de recherche s'est concentré sur différents types de mécanismes d'action des antibiotiques, plus particulièrement sur la perméabilisation de la membrane cellulaire. Ceci est réalisé par la formation de pores, d'agrégats, de canaux ou de micelles à travers celle-ci. En réponse à cela, nous avons synthétisé des composés antibactériens possédant deux cations benzimidazolium, deux chaînes apolaires hydrophobes et un échafaudage phényl- ou pyridyl-phényléthynylène, ayant la capacité de former des agrégats supramoléculaires via des interactions π-π et des liaisons hydrogène à travers la bicouche lipidique. Ces composés perturbateurs de la membrane agissent par un mécanisme rapide et efficace et ont montré de bons résultats contre les souches MRSA (Methicilin Resistant Staphylococcus Aureus), ce qui en fait des candidats prometteurs pour combattre les infections bactériennes et la formation des biofilms. / Antibiotic resistance has been responsible for multiple diseases and deaths for several decades. The rise of bacterial resistance has therefore encouraged researchers to develop new antibiotics, and new strategies to counter their various resistance mechanisms. One of the more notable resistance mechanics is the formation of biofilms. Consequently, our research group focused on the different types of antibiotics mechanisms of action, more particularly on the permeabilization of the cell membrane. This is achieved through the formation of pores, aggregate, channels, or micelles through it. In response to this, we have thus synthesized antibacterial compounds with a benzimidazolium cation, a hydrophobic apolar chain and a phenyl- or pyridyl-phenylethynylene scaffold with the capacity to form supramolecular aggregates via π-π interaction and hydrogen bonding through the lipid bilayer. These membrane-disrupting compounds act via a rapid and effective mechanism and have shown good results against strains of MRSA, thus making promising candidates to combat bacterial infections and biofilms formation.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Escherichia coli est un agent de mammites environnementales. Par contre, E. coli peut persister dans la glande mammaire. Les objectifs de cette étude étaient de confirmer la présence d’infection persistante chez des vaches laitières canadiennes et d’identifier la possibilité de contagion entre les quartiers d’une vache dans une cohorte de 91 fermes suivies durant deux ans. De plus, les souches persistantes ont été comparées à des souches transitoires. Les profils génétiques ont été obtenus à l’aide de l’électrophorèse sur gel en champs pulsés. La détection de la résistance pour sept antibiotiques s’est faite par microdilution. Vingt-sept gènes de virulence ont été déterminés par hybridation sur colonies. De la persistance a été détectée chez 18 vaches et de la contagion entre quartiers, chez deux vaches. La proportion de résistance chez les E. coli persistants était de 0,0 % (enrofloxacin) à 27,8 % (ampicilline et tétracycline) et de 0,0 % (enrofloxacin) à 16,8 % (tétracycline) pour les E. coli transitoires. Pour chacune des résistances additionnelles, les probabilités d’être une souche persistante augmentaient par un facteur 1,6 (95% IC : 1.1, 2.4). Une souche résistante à l’ampicilline et à la céphalothine avait une plus forte probabilité d’être persistante. Une souche possédant le gène iroN avait 5.4 fois plus de probabilité (95% IC: 1.2, 24.0) d’être persistante. Aussi, une souche positive pour le gène sitA avait 8.6 fois plus de probabilité (95% IC: 2.8, 27.1) d’être persistante. En conclusion, cette étude confirme qu’E. coli peut persister dans la glande mammaire des vaches laitières canadiennes et que ces E. coli sont différents de ceux impliqués lors d’infection transitoire. / Escherichia coli is part of the environmental mastitis pathogens. However, in some cases, persistence in the mammary gland occurs. The objectives of this study were to confirm persistent infection in Canadian dairy cows and to identify possible spread between quarters of a same cow in a cohort of 91 herds monitored over two years. Also, persistent strains were compared to transient strains. Antimicrobial susceptibility was determined by the broth microdilution method. Genetic profiles were obtained for same cow isolates by DNA fingerprinting with pulsed field gel electrophoresis. Twenty-seven virulence genes were determined by colony hybridization. Persistence was detected in 18 cows and contagion between quarters, in 2 cows. Proportions of resistance in persistent E.coli ranged from 0.0% (enrofloxacin) to 27.8% (ampicillin and tetracycline). Proportion of resistance in transient E.coli ranged from 0.0% (enrofloxacin) to 16.8% (tetracycline). For each additionnal antimicrobial resistance, odds of being classified as a persistent isolate increased by a factor of 1.6 (95% CI: 1.1, 2.4). Resistance to ampicillin and to cephalothin were both associated with higher odds of being a persistent E. coli. Isolates harboring gene iroN had 5.4 times higher odds (95% CI: 1.2, 24.0) of being classified as persistent isolates. Similarly, isolates positive to virulence gene sitA had 8.6 times higher odds (95% CI: 2.8, 27.1) of being classified as persistent isolates. In conclusion, this study confirmed that E. coli can persist in the udder of Canadian dairy cows and that these E. coli are different when compared to transient E. coli.

Les symbiotes d'insectes peuvent considérablement influencer leurs hôtes de diverses manières. Nous avons étudié ici la communauté de microbes de la mouche du chou (Delia radicum) et plus particulièrement le rôle de son microbiote intestinal et de Wolbachia, une bactérie intracellulaire. La transmission verticale et maternelle de Wolbachia était de 100% et nous n’avons trouvé aucune preuve de manipulation de la reproduction telles que l’incompatibilité cytoplasmique, la parthénogenèse thélytoque, la féminisation ou la dégénérescence des embryons mâles. Les effets de Wolbachia sur D. radicum étaient significatifs mais modérés, et se compensaient mutuellement (réduction du taux d’éclosion, meilleure survie larvo-nymphale, temps de développement plus long et augmentation de la mortalité des femelles en conditions de stress), ce qui suggère une infection quasi neutre chez cette espèce, même si nous avons observé une augmentation de la fréquence d’infection en conditions idéales. L'influence du microbiote intestinal a été étudiée en utilisant un antibiotique, la tétracycline, avec un protocole sur trois générations, ce qui a permis de discerner l’effet direct (toxique) de la tétracycline de ses effets indirects (perte de symbiotes) sur l’hôte. Le traitement antibiotique de D. radicum a eu de multiples effets, généralement négatifs, sur les traits d’histoire de vie des descendants, ces effets pouvant être détectés jusqu'à deux générations après le traitement. La perturbation du microbiote intestinal semble avoir un rôle plus important qu'un simple effet toxique de la tétracycline elle-même. De plus, l’étude suggère que le microbiote semble avoir un rôle bénéfique chez cette espèce, et qu’il est au moins partiellement hérité de la mère. Pour finir, nous avons étudié si Wolbachia pouvait modifier le dialogue plante-insecte entre D. radicum et l’une de ses plantes-hôtes, le colza (Brassica napus). La présence du symbiote a diminué les concentrations de glucosinolates dans les feuilles, ce qui suggère que Wolbachia pourrait améliorer la fitness de son hôte en diminuant les signaux chimiques de la plante pouvant être utilisés par les conspécifiques et/ou ennemis naturels de D. radicum. Cette étude a montré le potentiel d'une bactérie intracellulaire à influencer les relations plantes-insectes et a permis de discuter des interactions tri-trophiques entre les symbiotes, leurs insectes-hôtes et un troisième niveau trophique : la plante. Cette thèse démontre qu'il est maintenant nécessaire de prendre en compte les symbiotes dans de prochaines études, afin de mieux comprendre les relations possibles entre différents partenaires, ainsi que leurs implications écologiques ou évolutives. / Microbial symbionts can deeply influence their animal hosts in various ways. Here, we studied the community of microbes of the cabbage root fly (Delia radicum) and more precisely the role of its gut microbiota and of Wolbachia, an intracellular bacterium. The vertical maternal transmission of Wolbachia was perfect, and we found no evidence of manipulation of reproduction such as cytoplasmic incompatibility, thelytokous parthenogenesis, feminization nor male killing. Wolbachia infection had significant but moderate and mutually compensating effects on D. radicum (reduced hatch rate, improved larvo-nymphal viability, longer development time and increased female mortality in stress conditions), suggesting that infection might be nearly neutral in this strain, although we observed an increase in infection frequency in ideal rearing conditions. The influence of the gut microbiota was studied using an antibiotic, tetracycline, with a protocol spanning three generations, which allowed to discriminate the possible direct (toxic) effect of tetracycline from its indirect effects (due to the loss of gut symbionts). Antibiotic treatment of adults led to multiple and mostly negative effects on life history traits of their offspring and grandchildren. Data suggested a larger role of gut microbiota perturbation than of a toxic effect, that the microbiota was partially inherited maternally, and that the “wild-type” gut microbiota was beneficial in this species. Finally, we investigated whether Wolbachia could modify the insect-plant dialogue between D. radicum larvae feeding on roots of oilseed rape (Brassica napus). The presence of the symbiont decreased glucosinolate concentrations in the leaves, suggesting that Wolbachia could increase the fitness of its host by decreasing plant cues used by D. radicum conspecifics and/or natural enemies. This study showed the potential of an intracellular bacteria to influence plant-insect relationships, and allowed to discuss the tri-trophic interactions between symbionts, their insect hosts and a third trophic level: the plant. This thesis demonstrates the necessity to consider intracellular and extracellular symbionts in further studies, in order to unravel all the possible relationships between different partners, as well as their ecological or evolutionary implications.

L'utilisation d'antibiotiques pour lutter contre les infections bactériennes a favorisé l'émergence de souches résistantes. Comprendre les mécanismes de résistance est crucial pour lutter contre ces pathogènes. Cette thèse propose une étude structurale d'une pompe à efflux multidrogues de Pseudomonas aeruginosa qui se compose d'un transporteur MexB, d'une protéine canal OprM et d'une protéine adaptateur MexA. Les partenaires du complexe tripartite stabilisés en nanodisques ont permis la formation du complexe in vitro. L'optimisation des conditions de production du complexe a permis de cribler les différents paramètres régissant son assemblage. L'étude structurale par cryo-ME révèle un complexe de 30 nm de long en conformation de repos. L'étude de la stabilisation des protéines membranaires par nanodisques a conduit au développement d'un système minimal, débarrassé des lipides. Ce système minimal a révélé la nécessité d'une phase lipidique autour de MexB pour l'assemblage du complexe. / Antibiotics use against bacterial infections has led to the emergence of resistance. Understanding the mechanisms underlying resistance to antibiotics is critical to fight against these pathogens. This thesis presents a structural study of a multidrug efflux pump in Pseudomonas aeruginosa, composed of a transporter MexB, an exit duct OprM and an adaptor protein MexA. The proteins reconstituted in nanodiscs allowed tripartite complex formation in vitro. Optimization of yield led to the identification of key parameters governing complex assembly. Structural cryo-EM study revealed a 30 nm long complex in a resting state. The study of membrane protein stabilization by nanodisks led to the development of a minimal system devoid of lipids. This system showed a lipid phase around MexB is required for complex formation.

Découverte il y a plus d’un siècle, Salmonella n’a cessé d’intriguer les chercheurs. Sa capacité à résister à de nombreux antibiotiques est de plus en plus préoccupante. La surveillance de ce pathogène repose sur un typage rapide et discriminant de façon à identifier le plus précocement possible les sources alimentaires contaminées. Les méthodes classiques sont longues, lourdes et non automatisables. Comprendre l’émergence et l’évolution des Salmonella est la clé pour éradiquer ce pathogène resté l’une des premières causes de diarrhées bactériennes d’origine alimentaire dans le monde. Au cours des dernières décennies, des progrès spectaculaires ont été menés dans le monde de la microbiologie avec l’arrivée des séquenceurs de paillasse, passant du traitement d’une dizaine à des centaines de millions de séquences. L’accès facilité aux séquences génomiques et aux outils qui leurs sont dédiés sont devenus une nécessité. Les outils actuellement disponibles ne sont pas assez discriminants pour sous-typer S. enterica sérotype Typhimurium (STM), sérotype prédominant de Salmonella. Nous avons voulu lors de ce travail, montrer l’intérêt du séquençage entier du génome, pour l’étude génomique de Salmonella. (1) Après avoir séquencé plus de 300 génomes de STM, nous avons mis au point un outil de sous-typage in silico de ce sérotype, basé sur le polymorphisme des CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). La surveillance à haut débit des salmonelloses a été validée en routine sur plus de 800 génomes. L’étude de la coévolution entre le chromosome (SNPs) et les régions CRISPR ont permis d’établir une nomenclature définissant les différentes populations de STM. (2) L’analyse génomique de 280 souches historiques de STM a montré que les gènes de bêta-lactamase conférant une résistance à l’ampicilline et portés par des plasmides étaient répandus chez STM à la fin des années 1950, bien avant l’utilisation de cet antibiotique. La présence de la pénicilline G dans le milieu agricole où ces composés ont été utilisés en tant que promoteurs de croissance ont pu conduire à la sélection des premières souches résistantes à l’ampicilline. (3) L’étude phylogénétique d’un génome issu du cadavre d’une femme décédée il y a plus de 800 ans, probablement à cause de la fièvre entérique et de 219 génomes historiques et récents des sérotypes Paratyphi C, Choleraesuis et Typhisuis ont montré que leurs génomes étaient très similaires au cours des 4000 dernières années. Ainsi, la combinaison des approches génotypique et phylogénétique ont accru nos connaissances sur l’évolution de ce pathogène.Mots clés : Séquençage entier du génome, surveillance épidémiologique, CRISPR, SNP, résistance antibiotique, phylogénie, évolution / Over a century has passed since the discovery of Salmonella and yet, this pathogen still intrigues researchers. Its ability to withstand many antibiotics is of increasing concern. The monitoring of this pathogen is based on a rapid and discriminatory typing to identify the sources of contaminated food as early as possible. The conventional methods are long, heavy and non-automatable. Understanding the emergence and evolution of Salmonella is the key to eradicate this pathogen, which has remained one of the leading causes of foodborne bacterial diarrhea in the world. During the last decades, spectacular progress has been made in the world of microbiology with the arrival of workbench sequencers, passing from a dozen to hundreds of millions of sequences processed. Facilitated access to numerous genome sequences and dedicated tools are mandatory. Tools currently available are not sufficiently discriminating for the subtype of S. enterica serotype Typhimurium, a predominant serotype of Salmonella. Throughout this study, we showed the interest of whole genome sequencing, a multidisciplinary tool, for the genomic study of Salmonella. (1) After sequencing over 300 S. enterica serotype Typhimurium genomes, we have developed an in silico subtyping tool for this serotype, based on the CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) polymorphism. High-throughput microbiological monitoring of salmonellosis has been routinely validated on over 800 genomes. The study of coevolution between the chromosome (SNPs of the core genome) and the two CRISPR regions made it possible to establish a nomenclature defining the different populations of this serotype. (2) Genomic analysis of 280 historical strains of S. enterica serotype Typhimurium showed that plasmids carrying beta-lactamase genes, which confer resistance to ampicillin, were widespread within this serotype in the late 1950s, years before ampicillin was first used for clinical purposes. The presence of penicillin G in the farming environment where these compounds were used as growth promoters, may have led to the selection of the first ampicillin-resistant strains. (3) The phylogenetic study of a genome from the corpse of a young woman who died over 800 years ago, probably due to enteric fever, and 219 historical and recent genomes of the serotypes Paratyphi C, Choleraesuis and Typhisuis have shown, despite the differences in host specificity, that their genomes were very similar over the past 4000 years. Thus, the combination of genotypic and phylogenetic approaches has increased our knowledge of the evolution of this pathogen.Key words: Whole genome sequencing, epidemiological monitoring, CRISPR, SNP, antibiotic resistance, phylogeny, evolution

Dans une perspective comparative entre la France et les États-Unis, ce travail analyse le processus de publicisation des liens entre l’antibiorésistance et l’alimentation, ainsi que ses implications en termes de contribution au développement de la production appelée sans antibiotique et de l’approche One Health. En partant de la prise de conscience des conséquences de l’usage des antibiotiques dans l’élevage, la recherche s’inscrit dans une réflexion pragmatiste de constitution des problèmes publics et s’appuie sur un corpus hybride composé de documents publiés entre 1980 et 2016 (presse écrite, littérature institutionnelle et entretiens semi-directifs). La méthode développée s’enrichit des outils de textométrie issus de l’analyse de discours et s’intéresse à l’émergence des dénominations et des formules qui nomment le problème, ses causes et ses solutions. La comparaison montre que le processus de publicisation de liens entre l’antibiorésistance et l’alimentation dévoile une trajectoire opposée dans les deux pays. Dans le cas français, ce processus s’inscrit dans un schéma top-down et se caractérise par une publicisation tardive faisant suite aux démarches des instances sanitaires européennes et internationales. L’appropriation du problème par des associations de consommateurs, ainsi que l’investissement des acteurs agroalimentaires dans le développement de la production sans antibiotique, n’émergent que récemment. En revanche, aux États-Unis, ce processus s’inscrit dans un modèle bottom-up suite à la constitution d’un public d’organisations non gouvernementales autour du problème. Leur mobilisation a contribué significativement au développement de programmes d’élevage sans antibiotique ainsi qu’à la mise à l’agenda gouvernemental du problème et le lancement d’un plan national dans une approche One Health. / In a cross-country perspective between France and the United States, this research analyses the process of publicizing the links between antibiotic resistance and food, as well as its contribution to the development of the antibiotic free production and the implementation of the One Health approach. Starting with the awareness of the antibiotic use in livestock consequences, the study relies on the pragmatist approach of the constitution of the public problems. It is based on wide corpora composed by documents published between 1980 and 2016 (written press, institutional literature and semi-directive interviews). The analysis method uses textometric tools derived from discourse analysis and focuses on the emergence of formulas that name the problem, its causes and its solutions. The comparison uncovers an opposite process between the two countries. In France, this process is part of a top-down approach and is characterized by a late publicization following the European and international health authorities’ initiatives. The consumer associations taking over the problem, as well as the agri-food actors’ commitment to the antibiotic free production, is very recent. In the United States, this process reveals a bottom-up model following a non-governmental organizations public constitution taking over the problem. Their mobilization has contributed to the development of the antibiotic free breeding programs, as well as to place the problem on the government agenda that launched a national plan in a One Health approach.

La quinocarcine appartient à la famille des tétrahydroisoquinoléines, produits naturels qui constituent de puissants agents cytotoxiques et possèdent de nombreuses activités biologiques telles qu'antitumorales et antibiotiques. Son intérêt biologique ainsi qu'un faible rendement d'extraction du milieu naturel ont fait d'elle une cible attrayante en synthèse organique. Dans le but d'effectuer la synthèse totale de la quinocarcine, plusieurs stratégies ont été envisagées pour construire la structure tétracyclique ABCD. Ces stratégies se sont appuyées sur différentes étapes clé comme des réactions de Pictet-Spengler ou des cyclisations de type Mannich, mettant en jeu une espèce N-acyliminium ainsi que différents types de nucléophiles, à savoir un malonate, un énamide et un éther d'énol silylé. La première stratégie qui utilise en motif malonate comme nucléophile pour réaliser la réaction de type Mannich n'a pas permis de construire le motif diaza-bicyclo-[3.2.1]-octane. Cependant, la synthèse énantiosélective de tétrahydroisoquinoléines fonctionnalisées a pu être effectuée de façon efficace. D'autre part, une voie de synthèse asymétrique de l'acide -carboxy-L-glutamique (L-Gla) a été mise au point au laboratoire. La deuxième stratégie que nous avons étudiée fait intervenir des nucléophiles de type énamides. Nous avons rencontré, là encore, des problèmes de réactivité. Malgré nos efforts, il n'a pas été possible d'activer sans dégradation la fonction énamide pour généner le motif pyrrolidine souhaité par addition sur un N-acyliminium. Néanmoins, une méthodologie de synthèse utilisant une oléfination de Wittig a été développée pour préparer des acides α-aminés comportant le motif énamide en β. La troisième stratégie utilise un éther d'énol silylé comme partenaire nucléophile pour réaliser la réaction de Mannich. Un intermédiaire clé tricyclique comportant le motif éther d'énol silylé a pu être synthétisé. Des essais sont actuellement en cours enfin de réaliser l'étape déterminante de cyclisation.

Le projet scientifique a consisté à développer une étude pour la synthèse de la lémonomycine. La lémonomycine fait partie d'une grande classe de produits naturels; les tétrahydroisoquinoléines qui constituent de puissants agents cytotoxiques et possèdent de nombreuses activités biologiques telles que antitumorales et antibiotiques. La lémonomycine est constituée de 4 cycles, la partie gauche constituant la tétrahydroisoquinoléine et la partie droite le motif diaza-bicyclo-[3.2.1]-octane. De plus, malgré le nombre important de produits isolés et d'analogues synthétiques, la présence d'un dérivé sucré est unique dans cette famille et rend la synthèse totale de la lémonomycine extrêmement attractive. Différentes stratégies ont été développées pour permettre la construction du motif tétracyclique ou du motif diaza-bicyclo-[3,2,1]octane. Cette étude s'appuie sur différentes étapes clés comme des réactions de Pictet-Spengler ou des cyclisations de type Mannich. Ces stratégies font intervenir des cyclisations utilisant différents nucléophiles sur des intermédiaires de type N-acyliminium. En parallèle de ce cette étude synthétique, nous avons décrit une méthode permettant de synthétiser une grande variété de beta-diamino esters et d'alpha,beta-diamino esters à partir de la sérine de manière régiosélective et énantiopure. La simplicité de cette procédure et l'absence de racémisation ou de -élimination des produits obtenus en font une méthode de choix pour la synthèse d'acide aminés non protéiniques.

Les caractéristiques structurales et les interactions intra et/ou intermoléculaires non-covalentes jouent un rôle primordial dans l'activité des molécules d'intérêt biologique, notamment lors de la reconnaissance moléculaire entre un médicament et son récepteur. Par ailleurs, on peut connaître par les études en phase gazeuse (sans les effets du solvant) les propriétés intrinsèques des systèmes moléculaires. Des calculs de chimie quantique élaborés peuvent ainsi être comparés aux résultats des expériences pour en tirer des informations précises. L'équipe AMIBES tente ainsi de décrire les structures de peptides, d'oligonucléotides ou de complexes d'intérêt pharmaceutiques. Pour cela, nous prenons appui sur deux techniques expérimentales complémentaires, la spectroscopie IRMPD et la spectrométrie de mobilité ionique, dont les résultats sont comparés avec des simulations. Dans ce travail de thèse, j'ai d'abord testé les prédictions d'une méthode QM/MM en ce qui concerne le calcul des spectres IR d'espèces d'intérêt biologique isolées. J'ai ensuite utilisé cette méthode pour simuler les spectres IR de brins de la protéine amyloïde β en phase gazeuse. Il ressort de ces études que leur structure secondaire varie selon l'état de protonation et le solvant dans lequel ils sont dissous: un solvant polaire favorise les structures globulaires, alors qu'une constante diélectrique plus basse permet de conserver une structure en hélice α. Je me suis également intéressé aux changements de structure induits par la complexation d'un antibiotique, la vancomycine, avec un modèle de son récepteur. En mode positif, le site de fixation de celui-ci est différent de celui révélé par la cristallographie, mais les interactions spécifiques responsables de la grande constante d'affinité en solution sont conservées dans le complexe déprotoné.