In the first phase of this project three enhanced large diameter (> 60 cm) residential wells were constructed at a study site in Lindsay, Ontario. Two wells were constructed using concrete tile casing while the other well was constructed using galvanized steel casing. Javor (2010) evaluated various aspects of drinking water well construction and design to determine the susceptibility of residential large diameter drinking water wells to surface water and airborne contamination. One of the purposes of these new installations was to remove the uncertainty with respect to construction methods, age and maintenance that is characteristic of residential drinking water well performance studies. Javor (2010) conducted a field and laboratory study to assess the performance of several design changes that were thought to improve the integrity of large diameter drinking water wells. These experiments were also used to determine whether one design was more prone to atmospheric and/or surface water contamination than another. During the second phase of this project routine monitoring was continued and data pertinent to assess the performance of the test wells were collected using the same instrumentation. This routine monitoring involved the visual inspection of the wells, collection of well water elevation, collection of soil temperature profile data, collection and analysis of water samples, and collection of cumulative water volumes extracted from the test wells. In addition to the routine monitoring, a ground penetrating radar (GPR) survey was performed in October 2010 to complement the previous data collected during February 2010. Smoke tracer tests were performed under non-frozen and frozen conditions to re-assess the potential pathways of contaminants between the atmosphere and the interior of the test wells. Bacteriological indicators and high concentrations of two dissolved ions were detected in all test and monitoring wells. The smoke tracer tests demonstrated that pathways for airborne contaminants to enter the test wells exist with similar pathways observed in the winter and the summer. GPR surveys indicated that the bentonite slurry annular sealant was the most homogeneous media. A baseline characterization of the microbial nature of the biofilm performed in three of the test wells (CTH1, ETH1 and ETH3) indicated that the sessile bacteria are more metabolically diverse than suspended bacteria, and that this diversity is even higher in the concrete cased wells. Biofilm characterization performed on concrete, fibreglass and galvanized steel coupons incubated in two of the test wells (concrete and galvanized steel) showed that bacteria in the concrete cased wells barely colonized on fiberglass and galvanized steel, while bacteria in the galvanized steel cased well did not have difficulty colonizing on any of the casing materials. The results of the biofilm cleaning study indicated that the use of pressure washing combined with chlorination effectively removed biofilm grown on galvanized steel and fibreglass casing materials. This study investigated various factors that could affect the performance of large diameter drinking water wells. Since the test wells used in this study were under the direct influence of surface water a comparison between the various annular sealants was problematic. However, the three enhanced test wells outperformed the conventional test well. The observations from the smoke tracer tests performed under non-frozen and frozen conditions indicate that the Poly-Lok lid seam is the most prevalent pathway for airborne contaminants to enter a well. Fibreglass may be the preferred choice for large diameter well casing material since fibreglass is corrosion resistant, lightweight, easy to install, has a high strength to weight ratio, and a greater degree of biofilm was able to be removed from fibreglass casing material than from galvanized steel casing material.

Einleitung: Biofilme gelten als die ursprüngliche Form des Lebens. Biofilme haben sich als Lebensform so gut bewährt, dass sie über die gesamte Zeit überlebt, sich weiterentwickelt und aufgrund dessen weit verbreitet haben. Ökologisch gesehen, besitzen sie eine große Bedeutung an den globalen Stoffwechselkreisläufen. Weiterhin spielen sie eine bedeutende Rolle bei der Pathogenese von chronischen Erkrankungen. So stellen im Organismus auftretende Biofilme die Ursache für zahlreiche, teils lebensbedrohliche Infektionen, wie die Endokarditis dar. In der Mundhöhle bilden die sich in der dentalen Plaque befindlichen Bakterien Säuren, welche Karies verursachen und im parodontalen Sulkus proliferierend zur Entstehung von Parodontopathien führen können. Neben ihren krankheitsauslösenden Effekten besitzen Biofilme auch lebensnotwendige Eigenschaften. Sie sind zum Beispiel Bestandteil der natürlichen Darmmikrobiota und tragen dort zur Verdauung, Immunmodulation sowie zur Versorgung des Organismus mit Vitaminen bei. Ziel dieser Übersichtsarbeit war es einen aktuellen Stand über die Ätiologie und Pathogenese von Biofilmen im Allgemeinen und die spezielle Bedeutung der dentalen Plaque bei der Pathogenese der Parodontitiden im Besonderen zu evaluieren. Material und Methoden: Die Bearbeitung der Thematik erfolgte anhand einer systematischen Literaturrecherche. Hierzu wurden internationale Quellen zusammengetragen und ausgewertet. Zum Auffinden von themenrelevanten Quellen dienten entsprechende Keywords. Diese Schlagwörter wurden einheitlich in den Datenbanken verwendet und sowohl in englischer als auch deutscher Sprache formuliert. Für die Auswahl der Datenbanken waren ausschlaggebend das Fachgebiet, der Evidenzgrad und die Zugänglichkeit. Primär erfolgte die Suche in der „Cochrane Library“, da dort Studien mit dem höchsten Evidenzgrad erfasst sind. Weiterhin wurden die Metadatenbanken „PubMed“ der American National Library of Medicine und „DIMDI“ verwendet. Zur Verwaltung der Literatur kam die Literaturverwaltungssoftware „Citavi“ zur Anwendung. Ergebnisse: Unabhängig von deren Lebensraum weisen alle Biofilme gemeinsame Merkmale auf. Am wichtigsten für die Biofilmentstehung ist die Produktion einer extrazellulären polymeren Matrix, in welche die Bakterien eingebettet und dadurch besser vor äußeren Einflüssen, wie Scherkräften und Austrocknung geschützt sind. Weitere wichtige Effekte des multibakteriellen Zusammenlebens innerhalb der Plaque sind Stoffwechseloptimierungen, die Virulenzsteigerung, eine erhöhte Resistenz gegenüber antimikrobiellen Substanzen, interzelluläre Kommunikation mittels Quorum sensing und die sich dadurch ergebende Möglichkeit der gezielten Expression von Genen. Auch die Etablierung von wachstumsfördernden Umgebungsbedingungen resultiert aus dem bakteriellen Zusammenschluss. Im Vergleich zu anderen Biofilmen zeichnet sich die orale Mikrobiota durch ihre besonders hohe Heterogenität und damit Komplexität aus. Unter normalen Bedingungen gehen die Plaquebakterien mit dem Wirtorganismus eine Symbiose ein. Dieser mutualistische Zustand wird als mikrobielle Homöostase bezeichnet. Während die residente orale Mikrobiota vom Nährstoffangebot und Lebensraum profitiert, trägt sie zur Abwehr pathogener Keime bei. Nur durch das Zusammenspiel verschiedener Einflussfaktoren, die Initiierung einer Entzündungsreaktion sowie die bakteriellen Interaktionsmöglichkeiten innerhalb des Biofilms, kommt es zur Krankheitsentstehung. Pathogene Plaquebakterien spielen eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese der Parodontitis. Die Zusammensetzung von supragingivaler und subgingivaler Plaque differenziert deutlich voneinander. Bei chronisch und aggressiv verlaufender Parodontitis weist die subgingivale Plaquezusammensetzung keine signifikanten Unterschiede auf. Es gibt jedoch Hinweise auf spezielle Subspezies, die mit besonders schweren Verlaufsformen in Zusammenhang gebracht werden. Einzelne Bakterienspezies sind aber nicht in der Lage die Pathogenese einer Parodontitis zu initiieren. Schlussfolgerung: Neben der mechanischen Eradikation des supra- und subgingivalen Biofilms mittels verschiedener Behandlungsmöglichkeiten, stellt die Prävention, in Form einer Entzündungsprophylaxe, eine effektive Therapieoption dar. Nur wenn das natürliche Gleichgewicht zwischen oraler Mikrobiota und Wirtsorganismus aufrechterhalten wird, kann die Entwicklung einer Parodontitis vermieden werden. Neue, sich aus der Wissenschaft ableitende Therapieansätze, wie der Einsatz von Quorum sensing - Inhibitoren und probiotischen Stoffen, erfordern weitere Erforschung, um sie für den praktischen Einsatz nutzbar zu machen.

Les biofilms constituent un mode de vie microbien extrêmement répandu, aussi bien en milieu naturel que dans les environnements anthropisés. Dans ce dernier cas, les structures morphologique et microbiologique du biofilm vont conditionner son impact sur le système, que cet impact lui soit bénéfique ou préjudiciable. L'objectif de cette thèse est d'approfondir notre connaissance des phénomènes de structuration du biofilm afin, à terme, d'optimiser les performances de procédé. Afin de représenter au mieux les conditions industrielles, des régimes d'écoulement turbulents et des consortia microbiens complexes ont été utilisés. Une première partie se focalise sur l'impact des forces de cisaillement sur l'adhésion microbienne. Les résultats démontrent un changement progressif de la flore bactérienne fixée et de sa distribution spatiale. Dans un second temps, le projet s'est intéressé aux étapes de développement du biofilm et ont permis d'identifier un effet mémoire du biofilm mature. Il s'agit d'une conservation des structures morphologique et microbiologique au cours du temps en dépit d'un changement de régime hydrodynamique. Enfin la dernière partie a consisté en la mise au point d'une méthode de quantification des prédateurs mobiles dans les biofilms. Ces prédateurs participent à la structuration du biofilm et leur quantification peut s'avérer utile dans le contexte de l'épuration des eaux. / Biofilms are a biological mode of life widely spread in both natural and engineered environments. In the last case, whether the biofilm is beneficial or detrimental for the process under consideration, both morphology and microbial community of the biofilm determine its impact. The objective of this thesis is to deepen our knowledge of biofilm structuring and, as a further goal, optimize a given process. Turbulent flows and multi-species consortia were used in order to better mimic industrial conditions. The first part of the project focused on the impact of shear stress on microbial adhesion. Results have demonstrated a gradual shift in bacterial communities with shear and a change in the spatial distribution of adhered microorganisms. Secondly, the work dealt with biofilm development. A memory effect, defined as the conservation of initial morphological and microbiological features despite a change in the environmental conditions, has been observed. Finally, a method for quantification of moving predators in mature biofilms has been developed. These predators actively shape the biofilm and their quantification is valuable, especially for wastewater treatment.

Les levures du genre Candida provoquent 70 à 90% des infections fongiques invasives chez l’Homme. Candida albicans est l’espèce de levure la plus souvent isolée et la plus pathogène au niveau de la cavité orale. Cette levure présente des facteurs de virulence multiples, notamment une capacité à modifier sa morphologie (dimorphisme), des adhésines servant à la reconnaissance de l’hôte, la sécrétion de phospholipases et d’aspartyl protéases et une capacité à former des biofilms. L’augmentation constante des infections fongiques et des résistances aux antifongiques, des effets secondaires et du coût des traitements, justifie la recherche de nouvelles molécules actives contre les biofilms impliquant des levures. Après une revue de la littérature sur les modèles de biofilms oraux, nous avons étudié l’effet d’un extrait végétal de Solidago virgaurea sur C. albicans. Une première étude a montré que l’extrait, par ailleurs dépourvu d’effet antibactérien, pouvait agir sur le champignon en : 1) empêchant la conversion de levures en hyphes, 2) inhibant la formation de biofilm, et 3) en dissociant le biofilm déjà formé. La deuxième étude visait à comprendre le mode d’action de cet extrait. Elle a montré que l’extrait de S. virgaurea inhibait l’expression de protéines impliquées dans l’adhésion et la filamentation. Par ailleurs, il exerce un effet synergique sur l’élimination du biofilm lorsqu’il est combiné à des antifongiques. L’ensemble de ces résultats positionne l’extrait de S. virgaurea en candidat prometteur pour une approche innovante du traitement topique des candidoses cutanéomuqueuses. / Candida yeast cause 70 to 90 % of human invasive fungal infections. In the oral cavity, Candida albicans is the most frequently isolated the most pathogenic species. This yeast has multiple virulence factors, including the capacity to alter its morphology (dimorphism), adhesins for host-recognition, the secretion of phospholipases and aspartyl proteases, and the ability to form biofilms. The search for new anti-biofilms drugs and, in particular, those targeting biofilm involving yeast is justified by the constantly increasing incidence of fungal infections and antifungal resistance, treatments side effects and costs. We first reviewed the literature regarding oral biofilm models. Then, we studied the effect of a Solidago virgaurea extract against C. albicans. A first study showed that this extract, which has no antibacterial effect, could act on the fungus in several ways, including: 1) inhibiting yeast-to-hypha transition, 2) inhibiting biofilm formation, and 3) disrupting existing biofilm. The second study aimed to understand the mode of action of this extract. It showed that it might act via the down-regulation of proteins involved in yeast adhesion and filamentation. Furthermore, it acted in synergy with antifungals to eliminate biofilm. Overall, these findings indicate that this S. virgaurea extract is a promising candidate for an innovative approach of superficial candidiasis topical therapy.

abstract: The overall goal of this dissertation is to advance understanding of biofilm reduction of oxidized contaminants in water and wastewater. Chapter 1 introduces the fundamentals of biological reduction of three oxidized contaminants (nitrate, perchlorate, and trichloriethene (TCE)) using two biofilm processes (hydrogen-based membrane biofilm reactors (MBfR) and packed-bed heterotrophic reactors (PBHR)), and it identifies the research objectives. Chapters 2 through 6 focus on nitrate removal using the MBfR and PBHR, while chapters 7 through 10 investigate simultaneous reduction of nitrate and another oxidized compound (perchlorate, sulfate, or TCE) in the MBfR. Chapter 11 summarizes the major findings of this research. Chapters 2 and 3 demonstrate nitrate removal in a groundwater and identify the maximum nitrate loadings using a pilot-scale MBfR and a pilot-scale PBHR, respectively. Chapter 4 compares the MBfR and the PBHR for denitrification of the same nitrate-contaminated groundwater. The comparison includes the maximum nitrate loading, the effluent water quality of the denitrification reactors, and the impact of post-treatment on water quality. Chapter 5 theoretically and experimentally demonstrates that the nitrate biomass-carrier surface loading, rather than the traditionally used empty bed contact time or nitrate volumetric loading, is the primary design parameter for heterotrophic denitrification. Chapter 6 constructs a pH-control model to predict pH, alkalinity, and precipitation potential in heterotrophic or hydrogen-based autotrophic denitrification reactors. Chapter 7 develops and uses steady-state permeation tests and a mathematical model to determine the hydrogen-permeation coefficients of three fibers commonly used in the MBfR. The coefficients are then used as inputs for the three models in Chapters 8-10. Chapter 8 develops a multispecies biofilm model for simultaneous reduction of nitrate and perchlorate in the MBfR. The model quantitatively and systematically explains how operating conditions affect nitrate and perchlorate reduction and biomass distribution via four mechanisms. Chapter 9 modifies the nitrate and perchlorate model into a nitrate and sulfate model and uses it to identify operating conditions corresponding to onset of sulfate reduction. Chapter 10 modifies the nitrate and perchlorate model into a nitrate and TCE model and uses it to investigate how operating conditions affect TCE reduction and accumulation of TCE reduction intermediates. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Civil and Environmental Engineering 2012

Depuis 2002 a émergé le concept de « catalyse électromicrobienne ». Cette même année, une équipe du LGC a démontré un phénomène de transfert d’électrons entre un biofilm aérobie marin et une cathode d’acier inoxydable. A partir de ces biofilms a été isolée une souche bactérienne, Algoriphagus yeomjeoni, pouvant former un biofilm électroactif monoespèce. Les objectifs de ce travail ont été de rechercher cette capacité à réduire du dioxygène chez des bactéries marines mais également chez une souche issue de l’industrie agroalimentaire Lactococcus lactis. La première partie de cette étude porte sur l’étude d’Algoriphagus yeomjeoni. Les essais électrochimiques ont eu lieu en eau de mer synthétique, dont on contrôle la composition. Aucune production de courant n’a pu être détectée même en repassant en eau de mer naturelle. La perte d’électroactivité de cette souche nous a amené à la deuxième partie de ce travail qui a été la recherche de nouveaux isolats bactériens électroactifs à partir d’un biofilm formé en milieu marin. La population microbienne de ce biofilm a été étudiée par pyroséquençage. Puis, quatre souches bactériennes ont pu être isolées et identifiées. Ces souches appartenant au genre Bacillus, Roseobacter, Pseudoalteromonas et Marinobacter ont toutes présentées des capacités de réduction du dioxygène à la cathode aussi bien en eau de mer naturelle qu’eau de mer synthétique. Enfin, des essais électrochimiques ont été réalisés avec Lactococcus lactis. Cette souche a présenté des capacités électrochimiques dans un compartiment anodique avec un record de performance de 400 mA.m-2. Et, pour la première fois, Lactococcus lactis a été capable de catalyser une réduction impliquant le dioxygène à une cathode avec une densité de courant maximale de 50 mA.m-2. / Since 2002 emerged the concept of "microbial electro-catalysis". That same year, a team from the Chemical Engineering Laboratory demonstrated a phenomenon of electron transfer between a marine aerobic biofilm and a stainless steel cathode. From these biofilms was isolated a bacterial strain Algoriphagus yeomjeoni which form a mono-species electroactive biofilm. The objectives of this work were to seek the ability to catalyze a reduction of oxygen amongst marine bacteria but also in a strain used in food industry Lactococcus lactis. The first part of this study focuses on the study of Algoriphagus yeomjeoni. Electrochemical tests were conduct in synthetic seawater, whose composition is controlled. No power generation could be detected even by returning in natural seawater. The loss of electroactivity of this strain led us to the second part of the work that has been looking for new electroactive bacterial isolates from a biofilm formed in a marine environment. This microbial population in this biofilm was studied by pyrosequencing. Then, four bacterial strains have been isolated and identified. These strains of the genus Bacillus, Roseobacter, Pseudoalteromonas and Marinobacter have all shown the ability to reduce the oxygen at the cathode in both natural and synthetic seawater. Finally, electrochemical tests were performed with, Lactococcus lactis. This strain showed electrochemical capacity in an anode compartment with a record performance up to 400 mA.m-2. Furthermore, and for the first time, Lactococcus lactis was able to catalyze the oxygen reduction involving a cathode with a maximum current density of 50 mA.m-2.

L’électrosynthèse microbienne est une technologie innovante qui permet de convertir le dioxyde de carbone en molécules organiques en utilisant une cathode comme source d’électrons de la réduction microbienne du CO2. Le procédé «Biorare» propose de coupler l’électrosynthèse microbienne avec l’oxydation de déchets à l’anode afin d’augmenter le rendement énergétique du procédé. Il devient ainsi possible de traiter un effluent à l’anode et de valoriser du CO2 à la cathode. La thèse a eu pour objectif d’améliorer les performances de la bioanode et de la biocathode séparément, afin de réaliser in fine un prototype de procédé «Biorare» à l’échelle du laboratoire. Parmi plusieurs types de déchets testés, les boues biologiques se sont avérées bien adaptées pour une utilisation à l’anode en assurant des densités de courant jusqu’à 10 A/m2. Toutefois, ces performances étant peu reproductibles, nous avons choisi d’exploiter des biodéchets, dont le gisement représente plus de 22 millions de tonnes en France et la valorisation est aujourd’hui obligatoire. Leur utilisation brute n’a pas permis de dépasser 1 A/m2 mais une méthode innovante de formation des bioanodes a permis d’augmenter les densités de courant jusqu’à 7 A/m2, de façon reproductible et dans des conditions extrapolables. Les travaux sur les biocathodes ont révélé que l’hydrogène est un intermédiaire réactionnel clé pour le transfert d’électrons de la cathode vers les microorganismes qui réduisent le CO2. Cela a conduit à découpler le procédé initial en deux étapes : l’hydrogène est produit dans une cellule d’électrolyse microbienne qui oxyde les biodéchets et, en aval, un bioréacteur gaz-liquide utilise l’hydrogène pour convertir le CO2 en acétate, éthanol, formiate, ou butyrate, suivant les systèmes microbiens. Cette stratégie permet d’augmenter les performances d’un facteur 24 avec une vitesse de production d’acétate de 376 mg/L/j et des concentrations jusqu’à 11 g/L. / Microbial electrosynthesis is an innovative technology to produce organic molecules from CO2, using a cathode as electron source for the microbial reduction of CO2. The Biorare process intends to associate the microbial electrosynthesis with the oxidation of organic wastes at the anode, in order to increase the energetic yield of the process. The system allows thus both the treatment of polluted effluents at the anode and CO2 valorization to organic molecules at the cathode. The purpose of the PhD work was to improve the bioanode and biocathode performance separately, to finally design a Biorare prototype at laboratory scale. Among the various wastes tested, biological sludge was a good substrate, which led to current densities up to 10 A/m2. However, the performance was not reproducible and it was decided to use food wastes, which constitute an abundant resource of 22 million tons in France that must be valorized. The use of raw food waste did not allow exceeding 1 A/m2, but a new method for bioanode formation improved the current density up to 7 A/m2 in a reproducible and close-to-industrial way. The study on biocathodes revealed hydrogen as a key intermediate in electron transfer from the cathode to the microbial cells that reduce CO2. This led to dissociate the initial process into two steps: hydrogen is produced in a microbial electrolysis cell that oxidizes food wastes and, downstream, a gas-liquid bioreactor uses hydrogen to convert CO2 to acetate, ethanol, formate or butyrate, depending on the microbial system. This strategy allowed increasing the performance by a factor 24 with a maximal acetate production rate of 376 mg/L/j and concentrations up to 11 g/L.

Les porines sont des protéines « canal » qui assurent la diffusion non-spécifique des ions et nutriments au sein des bactéries à Gram-négatif. Elles sont également la voie d'entrée des antibiotiques hydrophiles, en particulier les β-lactames. Des mutations au sein des porines, ou leur sous-expression, ont été rapportées dans de nombreux cas d'infections multi-résistantes au cours de la dernière décade, soulignant le rôle de ces protéines dans la résistance aux antibiotiques.La première partie de ma thèse a porté sur l'étude des relations structure fonction au sein des deux porines non spécifiques de Providencia stuartii, Omp-Pst1 et Omp-Pst2. Il a été montré qu'Omp-Pst1 est majoritairement responsable de l'entrée des antibiotiques. Afin de comprendre comment évolue cette porine in situ, nous avons réalisé une étude comparative sur les variantes d'Omp-Pst1 issues de la souche sauvage et de deux isolats cliniques. Globalement, ces structures pointent vers un consensus dans l'adaptation des porines in situ, lequel repose sur l'accumulation de résidus chargés positivement dans les boucles extracellulaires et dans le canal. Cette observation est en accord avec les mesures de translocation effectuées à l'échelle de la porine unique, lesquelles montrent une diffusion ralentie des antibiotiques chargés négativement au travers des porines issues des isolats cliniques. Mis ensemble, nos résultats démontrent le rôle critique joué par les porines dans la résistance aux antibiotiques, lequel vise à diminuer l'influx de ces derniers tout en conservant l'habilité pour la bactérie de se nourrir.La deuxième partie de ma thèse s'est focalisée sur une fonction inédite des porines, à savoir leur rôle dans l'association intercellulaire et la genèse de biofilms bactériens. Les porines sont généralement exprimées sous la forme de trimères fonctionnels enchâssés dans la membrane externe des bactéries à Gram-négatif. Le mécanisme d'adhésion mis en évidence par mes travaux de thèse repose sur la formation de dimères de trimères de porines, associées face à face par leurs boucles externes, grâce à une interaction de type steric zipper. En exploitant un large panel de méthodologies biophysiques et d'imageries, nous avons caractérisé les propriétés adhésives d'Omp-Pst1 et Omp-Pst2, à la fois in vitro et in vivo. Nous avons également investigué le transport de petites molécules fluorescentes au travers de ces dimères de porines, afin de vérifier leur putative implication dans la communication intercellulaire. Nos résultats démontrent la capacité des porines Omp-Pst1 et Omp-Pst2 à former des jonctions intercellulaires et les suggèrent donc comme des cibles thérapeutiques prometteuses dans la lutte contre les infections bactériennes. / Present in the outer membrane of bacteria, porins are the main gateway for soluble molecules, such as nutrients and ions, into the bacteria. They are also the way taken by hydrophilic antibiotics to reach their targets and kill the cell. Under the strong selective pressure caused by antibiotic overuse, bacteria have evolved modified porins that are less permeable to antibiotics. Although not the only strategy developed by bacteria to survive drug treatment, it is an important factor in the spreading phenomenon of multidrug resistant infections.In order to gain further insights into the molecular determinants of antibiotic translocation, the first part of my thesis work aimed at resolving the crystallographic structures of Omp-Pst1 and Omp-Pst2, two non-specific porins encoded in the genome of Providencia stuartii. This bacterial species is not very invasive and, therefore, causes endemic rather than epidemic infections. However, these infections are often fatal given the intrinsically stringent MDR phenotype of this species. It has been shown that Omp-Pst1 is the main entrance for β-lactam antibiotics. To provide structural and functional insights into the contribution of P. stuartii porins to antibiotic resistance phenotypes, structural analysis was undertaken, not only from the wild type strain but also from two clinical mutant strains i.e. Omp-Pst1-99645 and Omp-Pst1-Nea16. Mutations result in more pronounced anion selectivity due to an increased number of positively charged amino acids lining the pore and mostly in the extracellular loops in both mutants compared to the wild type. To further determine whether these mutations contributed to a decrease in antibiotic uptake, we undertook the characterization of β-lactam antibiotics transport kinetics using electrophysiology studies at the single protein level. For the zwitterionic β-lactam tested, single-molecule conductance measurements evidenced a decrease in the association rate constant, in both mutants compared to the wild type. However, we observed instead an increase in these values for the negatively charged β-lactam, which is in good agreement with our structure-based analysis. All together, our results point towards porins playing a major role in the antibiotic resistance mechanism by reducing drug uptake.In the second part of my thesis work, we discovered that porins could self-associate to form adhesive junctions between two cells and could provide the initial scaffold for the establishment of biofilms at early stages of their developpement. The self-matching interaction is mediated by a steric zipper interaction and involves their extracellular loops. In order to confirm the adhesive proprieties of porins, we exploited a large panel of biophysical and imaging methods both in vitro and in vivo. Furthermore, we studied their diffusive proprieties in reconstituted liposomes, to explore whether these self-matching interactions between porins could play a role in cell-to-cell communication. Our results point at a major role of P. stuartii porins, Omp-Pst1 and Omp-Pst2, in cell-to-cell adhesion and make them promising targets to disrupt bacterial biofilm infections.

En environnement marin, la colonisation des surfaces solides par les microorganismes est progressive et suit une logique taxonomique et/ou fonctionnelle des espèces. Les biofilms ainsi formés représentent des systèmes multi-cellulaires entourés d’une matrice de substances polymériques extracellulaires (SPE). L’objectif de ce travail était de comprendre comment des acteurs microbiens (bactéries et diatomées) interagissent dans deux types de biofilms marins (biofilm benthique et biofilm sur structures métalliques portuaires). Dans cette étude, des modèles bactériens isolés de ces biofilms ont été identifiés et caractérisés. Dans un premier volet, leur capacité à former des biofilms stables a été évaluée dans différentes conditions. Quatre souches ont été ainsi sélectionnées : Flavobacterium sp. II2003, Roseobacter sp. IV3009, Roseovarius sp. VA014 et Shewanella sp. IV3014. Dans un deuxième volet, les effets des sécrétomes des bactéries marines issues du même habitat ont été évalués sur ces modèles. Deux souches se distinguent par leur capacité à produire des molécules influençant négativement la formation de biofilms : Pseudoalteromonas sp. IIIA004 produit un peptide de 2224 Da présentant une activité antibiofilm vis-à-vis de Roseovarius sp. VA014 et Pseudomonas sp. IV2006 inhibe la formation de biofilm de Flavobacterium sp. II2003. Dans les deux cas, les antibiofilms sont actifs contre un large spectre de bactéries suggérant ainsi plusieurs applications potentielles dans les domaines marin et médical. Dans le dernier volet, les effets des sécrétomes de la diatomée Navicula phyllepta ont été évalués sur les modèles de bactéries benthiques. Cette diatomée s’est distinguée par sa capacité à sécréter des polysaccharides inhibant ou stimulant la formation de biofilms selon les souches cibles. / In the marine environment, solid surface colonization by microorganisms is progressive and follows a taxonomic and/or functional logic. Biofilms formed are multi-cellular systems surrounded by a matrix of extracellular polymeric substances (EPS). The objective of this work was to understand how microbial actors (bacteria and diatoms) interact in two types of marine biofilms (benthic biofilm and biofilm on metallic structures of a harbor). In this study, bacterial models isolated from these biofilms have been identified and characterized. In a first part, their ability to form stable biofilms was evaluated under various conditions. Four strains were selected: Flavobacterium sp. II2003, Roseobacter sp. IV3009, Roseovarius sp. VA014 and Shewanella sp. IV3014. In a second part, the effects of secretomes of the marine bacteria from the same habitat were evaluated on these models. Two strains are distinguished by their ability to produce molecules negatively influencing biofilm formation: Pseudoalteromonas sp. IIIA004 produces a 2224 Da peptide with an antibiofilm activity toward Roseovarius sp. VA014 and Pseudomonas sp. IV2006 inhibits the biofilm formation of Flavobacterium sp . II2003. In both cases, the antibiofilms are active against a broad spectrum of bacteria suggesting several potential applications in marine and medical fields. In the last part, the effects of secretomes of the Navicula phyllepta diatom were evaluated on benthic bacteria models. This diatom was distinguished by its ability to secrete polysaccharides stimulating or inhibiting biofilm formation by target strains.

Staphylococcus aureus est responsable de nombreuses infections nosocomiales etcommunautaires dont la diversité est liée à l’expression de nombreux facteurs de virulence.L’expression de ces facteurs est temporellement coordonnée au cours de l’infection par desfacteurs de transcription, des systèmes à 2 composants et des ARN régulateurs (ARNnc). Ungrand nombre d’ARNnc potentiels a été prédit dans le génome de S. aureus mais leur fonctionreste méconnue.L’objectif premier de ce travail a été de caractériser le rôle dans la régulation de la virulence del’un des ARNnc identifiés par notre équipe, RsaA. Des approches phénotypiques in vitro ontpermis de démontrer que RsaA active la formation du biofilm et réprime la synthèse de lacapsule bactérienne, avec une incidence sur l’opsonophagocytose de la bactérie et sur soninternalisation dans les macrophages. Au niveau moléculaire, RsaA réprime la traduction dufacteur de transcription MgrA, répresseur de la formation de la biofilm et activateur de lacapsule, par un mécanisme de type antisens entre RsaA et l’ARNm mgrA. Parallèlement, RsaAréprimerait l’opéron yabJ-spoVG, activateur de la synthèse de capsule. Ainsi, RsaA active laformation de biofilm et réprime la synthèse de capsule.Le second objectif de ce travail a été de caractériser l’expression in vivo de RsaA, E, G, H ainsique l’ARN III dans des prélèvements d’infections aiguës (abcès cutanés), chroniques (crachatsde patients mucoviscidiques) ou de portages nasales. L’étude de l’expression de ces ARN parRT-PCR, a permis de montrer que tous ces ARN sont exprimés avec une grande variabilité dansles prélèvements infectieux par rapport aux prélèvements de portages. / Staphylococcus aureus is responsible for many nosocomial and communityinfections with a diversity linked to the expression of many virulence factors. Their expression istemporally coordinated during infection by transcription factors, two- component systems but alsoregulatory RNAs called non coding RNAs (ncRNAs). A large number of potential ncRNAs waspredicted in the genome of S. aureus but their function remains unknown.The first aim of this thesis was to characterize the role of one ncRNA identified by our team,RsaA, in the regulation of bacterial virulence. Several in vitro approaches allowed todemonstrate that RsaA activates biofilm formation and inhibits the bacterial capsule synthesis,with an impact on the bacterial opsonophagocytosis and internalization into macrophages. RsaArepresses the translation of mgrA mRNA by an antisense mechanism. mgrA codes for atrancriptional regulator known to repress biofilm formation but to activate capsule synthesis. Inparallel, RsaA represses the translation of the yabJ-spoVG operon, an activator of capsuleproduction. In this way, RsaA enhances biofilm formation and represses capsule synthesis.The second objective was to characterize the in vivo expression of RNA III and RsaA, E, G, HsRNAs in samples of acute infections (cutaneous absesses), chronicle infections (cystic fibrosis)and nasal carriage. The expression study (quantitative RT-PCR) allowed to demonstrate that allsRNA are expressed into samples but they have a high expression variability depending ofinfectious samples compared to asymptomatic carriage.