L’objectif de ce projet était l’étude systématique des interactions, de la microstructure et de la dynamique de suspensions de colloïdes qui imitent les mouvements de systèmes auto-propulsés (actifs), au moyen de techniques de diffusion : diffusion des rayons X aux (ultra) petits angles (USAXS/SAXS) et spectroscopie de corrélation de photons X (XPCS).À la différence des colloïdes passifs conventionnels (particules browniennes), les colloïdes actifs sont des systèmes hors équilibre faits d’objets auto-propulsés. Ces systèmes montrent une dynamique fascinante qui s’apparente aux mouvements de volée d'oiseaux, d’essaim d’insectes, etc.Les micro-organismes mobiles sont des exemples types de colloïdes actifs, notamment certaines variétés de bactéries, ou les colloïdes de type Janus caractérisé par une composition asymétrique de leur surface qui peux engendrer une propulsion, l’auto-diffusiophorèse. Les thèmes principaux de cette thèse sont les interactions inter-particule, les interactions particule-solvant et les dynamiques phorétiques des systèmes actifs.En premier lieu, la structure et la mobilité de la bactérie Escherichia coli ont été étudiées au moyen de SAXS/USAXS . Comme projet secondaire, l’obtention de données couvrant une très large gamme de vecteur de diffusion (q) a permis de dériver un modèle structural multi-échelle de la bactérie, en combinant les caractéristiques de colloïdes (corps cellulaire), de membranes (enveloppe cellulaire) et de polymères (flagelles). Ce modèle a été affiné au moyen de mesures complémentaires de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) sur des suspensions de la bactérie E. coli en variant le contraste externe (remplacement isotopique partielle du solvant) afin d’aboutir à une détermination quantitative de la densité électronique des membranes et des distances entre membranes.Ces bactéries ont ensuite été utilisées comme éléments actifs en mélange avec des colloïdes passifs de silice de taille sub-micrométrique, pour comprendre comment la présence de bactéries actives mobiles affecte les interactions effectives et la dynamique des colloïdes passifs. Des mesures USAXS et XPCS simultanées ont permis de déduire les propriétés statiques et hydrodynamiques de ces colloïdes passifs. Les données suggèrent que les bactéries actives se comportent comme un fluidifiant pour les colloïdes passifs, en réduisant leurs interactions attractives et en augmentant leur dynamique ; réciproquement, ces derniers sont affectés par la solution tampon et par la présence de bactéries augmente la viscosité environnante effective.Enfin, les mouvements phorétiques de colloïdes de silice et de type Janus (silice partiellement recouvert de nickel) suspendus dans un mélange de 3-methylpyridine (3MP) + eau/eau lourde pendant la séparation de phase liquide-liquide ont été investigués par USAXS et XPCS. Les mouvements des colloïdes sont fortement corrélés à la dynamique de la séparation de phase du fait de l’absorption préférentielle de 3MP à la surface de silice. Les colloïdes de silice montrent une dynamique advective avec une diffusion amélioré en direction des microdomaines riches en 3MP, évoquant la dynamique des systèmes auto-propulsés, jusqu’à l’aboutissement de la séparation de phase. Les suspensions de colloïdes de type Janus ont un comportement beaucoup plus complexe, la dynamique étant fortement corrélée aux interactions asymétriques avec le solvant. Cette dynamique est soit augmentée soit supprimée en fonction de la concentration en 3MP qui modifie aussi la micro-structure du système. Au lieu que les colloïdes de silice migrent vers la phase riche en 3MP, les colloïdes de type Janus agissent comme des tensioactifs en se plaçant à l’interface.Cette thèse démontre l’intérêt des techniques de diffusion pour explorer les propriétés des systèmes actifs et examiner leur comportement en thermodynamique hors équilibre afin de compléter les informations obtenues par observations microscopique. / This project aimed to systematically investigate the interactions, microstructure and dynamics in suspensions of colloidal particles that mimic active motions, using (Ultra) Small- Angle X-ray Scattering (USAXS/SAXS) and X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS). As opposed to the conventional passive colloids (Brownian particles), active colloids are non-equilibrium systems consisting of self-propelled particles that display many fascinating dynamics, such as streaming, swarming, flocking, etc. in appropriate media. Practical examples of active systems are motile microorganisms, such as some species of bacteria, or synthetic Janus colloids – characterized by an asymmetric chemical composition of their surface – that can induce a propulsion mechanisms, like self-diffusiophoresis. The foci of this thesis are on interparticle interactions, particle-medium interactions and the phoretic dynamics in active systems.Firstly, the structure and motility of Escherichia coli bacteria were investigated by combined USAXS and SAXS methods. As an offshoot, the scattering data spanning a broad scattering vector (q)-range permitted the derivation of a multiscale structural model by combining colloidal (cell-body), membrane (cell-envelope) and polymer (flagella) features. This model was further refined by contrast-variation Small Angle Neutron Scattering (SANS) measurements on E. coli suspensions at three match points and the full contrast which allowed the determination of the membrane electron-density and the inter-membrane distances on a quantitative scale.These bacteria were then used as active component in a mixture with micron-sized passive silica colloids, with the aim of investigating how the effective interactions and dynamics of passive colloids are affected by the presence and the motility of active E. coli. Both static and hydrodynamic information were obtained via the simultaneous use of USAXS and XPCS techniques. Data suggested active bacteria act as a fluidizing agent in such systems, reducing attractive interactions and enhancing the dynamics of passive colloids, which, at the same time, are affected by the buffer and more viscous environment due to the bacterial presence.Finally, the phoretic motions of micron-sized silica colloids and half-coated silica/nickel Janus colloids suspended in a mixture of 3-methylpyridine (3MP) and water/heavy water undergoing liquid-liquid phase separation were investigated using USAXS and XPCS. Due to the preferential wetting of 3MP on the silica surface, the motion of the colloids is strongly correlated to the dynamics of phase separation.Silica colloids displayed advective motion with enhanced diffusion toward the 3MP-rich phase reminiscent of self-propelled motion until the phase separation is completed. Suspensions of Janus colloids showed a much richer scenario, where colloid dynamics are strongly influenced by the asymmetric interactions with the solvent. The dynamics of Janus colloids were either enhanced or suppressed depending on the 3MP concentration, which, concurrently, affected the microstructure of the system. As opposed to the partitioning in 3MP-rich phase in the case of silica colloids, Janus particles behave like surfactants at the interface.The thesis demonstrates the ability of studying active systems by means of scattering methods and probe their behaviour in the thermodynamic limit and complement the information derived from direct microscopy observations.

L'objectif de cette thèse est de progresser dans la compréhension du colmatage lors de la filtration de la matière molle (particules colloïdales et bactéries) et d'étudier l'efficacité et la faisabilité de séparateurs microfluidiques. Ces recherches sont réalisées avec des puces microfluidiques constituées de canaux dont la taille est du même ordre de grandeur que les objets filtrés. Ces puces, conçues pour représenter les processus ayant lieu en microfiltration frontale et tangentielles, permettent d'observer in-situ sous microscope les mécanismes de colmatage. Le système est instrumenté avec des capteurs de débit et de pression et permet ainsi une analyse croisée entre les observations et les variations de perméabilité. Les expériences ont été réalisées pour différentes conditions hydrodynamiques (débit, mode de filtration) et conditions d'interactions colloïdales (en changeant la force ionique). Les résultats mettent en évidence l'importance de la dynamique du blocage de pore par des agrégats de particules et du réentrainement de ces agrégats lorsqu'ils sont fragilisés par l'écoulement. La dynamique de ces évènements provoque des fluctuations de perméabilité. Les interactions particule-particule ou particule-paroi jouent également un rôle important sur la dynamique du colmatage. Trois scenarios sont discutés par analogie anthropomorphique : un scenario panique (0.01 mM) où les répulsions entre les particules induit un phénomène de poussée entre particules qui engendre la formation d'arches à l'entrée des canaux ; un scenario instinct de troupeau (10 mM) où l'attraction entre particules (dans un minimum DLVO secondaire) facilite le transport dans le canal et retarde le colmatage ; un scenario sacrificiel (100 mM) où l'efficacité de capture des particules par les parois est élevée mais les agrégats formés sont très fragiles et fréquemment réentraînés par l'écoulement. Cette analyse illustre l'importance des phénomènes collectifs lors du colmatage par des particules inter-agissantes. Le mécanisme de colmatage par des particules biologiques (bactéries) et notamment la création de panaches bactériens en aval des canaux sont ensuite analysés. Ces phénomènes sont étudiés pour différentes conditions de culture (ratio carbone-azote dans le substrat) afin d'examiner l'effet de la production de substances polymériques extracellulaires (EPS) sur le colmatage. Les résultats montrent que les EPS (et donc les conditions de cultures) jouent un rôle crucial sur le développement de panaches bactériens lors d'écoulement dans des constrictions. Il est montré également que la filtration d'un mélange entre des bactéries produisant peu d'EPS et des bactéries produisant d'EPS favorise la formation des panaches bactériens. Des filtrations de mélange de bactéries et de particules montrent que la présence de bactérie modifie la dynamique du blocage des canaux ; de façon surprenante l'ajout de bactérie permet de retarder le colmatage et de former des dépôts de particules plus fragiles. Des systèmes microfluidiques avec un design spécifique ont également été développés pour réaliser un fractionnement par taille de dispersions sous un écoulement tangentiel. Des résultats préliminaires ont permis d'optimiser leur fonctionnement en trouvant des conditions permettant de filtrer en évitant le blocage des canaux ; leur utilisation pour réaliser des fractionnements continus dans des puces microfluidiques peut être envisagée. / The aim of the PhD is to progress in the understanding of the fouling phenomena during filtration of soft matter (colloidal particles and bacteria) and to examine the efficiency and feasibility of microfluidic separators. These studies are realized with microfluidic devices constituted of micrometric channels having the same size range as the materials being filtered. These devices, which mimic membrane dead-end and cross-flow microfiltration processes, allow in-situ and direct microscopic observations of the fouling mechanisms. The microfluidic system is equipped with flow rate and pressure measurement devices allowing a dynamic cross analysis of the observations with the variations of permeability. Experiments have been realized for different hydrodynamic conditions (flow rate, filtration mode) and for different colloidal interactions (by varying the ionic strength) in order to analyse their interplay in the clogging mechanism by soft matter (interacting particles). The results evidenced the importance of clogs formation, fragility and sweeping out dynamics during the fouling process. These dynamic events at bottlenecks induce important permeability fluctuations. The particle-particle and particle-wall interactions also play important roles on the clogging dynamics. Three different scenarios are discussed by analogy to crowd swarming: panic scenario (0.01 mM) where repulsion between particles induce pushing effects leading to the creation of robust arches at pore entrances; herding instinct scenario (10 mM) where the attraction (in secondary minima) between particles enhances the transport in pores and delays clogging; sacrifice scenario (100 mM) where the capture efficiency is high but the aggregates formed at the wall are fragile. These analyses illustrate the importance of collective behaviour exhibited by interacting particles during fouling. The fouling phenomena by biological particles (bacteria) are analysed in terms of the streamer formation conditions and mechanisms. The streamer formation phenomena are in turn analysed by playing with the cultivation conditions (the carbon to nitrogen ratio in the substrate) in order to study the effect of extracellular polymeric substances (EPS) on the process. The results show that EPS (and hence the bacterial cultivation conditions) play crucial role in streamer formation by microorganisms under flow in constrictions. Furthermore, the presence of non-EPS producing bacterial species along with EPS producing species in a mixed culture enhances the streamer formation. On the other hand, filtration of mixed particles and bacteria suspensions show that the presence of bacteria substantially modifies the clogging dynamics. Microfluidic devices with specific configurations have also been developed for fractionation in order to maximize performances of these processes. The preliminary results with these chips in cross-flow conditions show that it is possible to limit the clogging impact by working below a critical flux; their use for continuous microparticles fractionation could be then considered.

Cette étude a pour objet la mise en évidence de traces d'ADN bactérien pathogène dans des échantillons animaux et humains anciens, et ainsi améliorer les connaissances sur l'évolution des maladies au cours du temps. En parallèle, nous avons étudié les phénomènes de dégradation de l'ADN dans le sol sur des cadavres de souris enterrées après avoir été contaminées par des bactéries non pathogènes. Cette étude des processus taphonomiques s'est étalée sur trois ans et a permis de montrer une disparition rapide des bactéries simulantes, remplacé par l'ADN des bactéries du sol, qui colonisent rapidement la dépouille et dégradent tant l'ADN endogène (murin) qu'exogène (bactérien). Cette disparition rapide explique la grande difficulté à mettre en évidence des pathogènes dans des échantillons anciens, à de rares exceptions près. Notre étude n'a pas permis de détecter d'agents pathogènes particuliers dans les échantillons que nous avons étudié, mais nous avons mis en évidence l'intérêt d'analyser certains types de restes pour accéder à une information génétique préservée. Le tartre dentaire indique est un bon indicateur de la flore buccale de l'hôte et les kystes calcifiés assurent une bonne préservation de l'ADN endogène, moins soumis à contamination et digestion par les bactéries de l'environnement. Les kystes présentent en règle générale une teneur en ADN endogène supérieure à tous les autres tissus étudiés. / The aim of this study was the identification of pathogenic bacterial DNA traces in ancient animal and human samples, and thus improve knowledge of past diseases that affect humankind over time. In parallel, we studied the DNA degradation phenomena in the soil on the buried corpses of mice after being contaminated by non-pathogenic bacteria. This study of taphonomic processes was spread over three years and has shown a rapid disappearance of simulant bacteria, replaced with the DNA of soil bacteria that colonize the body quickly after burial and degrade both the endogenous DNA (murine) that exogenous (bacteria). This quick degradation can explain the high difficulty to detect and identify bacterial pathogens in old samples, with very few exceptions. Despite the fact in our study we were not able to detect specific pathogens in the samples we have studied, we have shown the interest to analyze certain types of remnants to access preserved and informative genetic data. Dental calculus is a good indicator of the oral flora of the host and calcified cysts ensure good preservation of the endogenous DNA, less subject to contamination and digestion by bacteria from the environment. Cysts generally have an endogenous DNA content higher than all other tissues examined.

Le processus de maturation et de dégradation des ARNm chez les bactéries implique différentes ribonucléases (RNases). Une endoribonucléase a été découverte en 2009 chez Bacillus subtilis appelée RNase Y. Cette RNase joue un rôle central en catalysant la réaction de clivage initiatrice, un clivage endonucléolytique. Les fragments d'ARN issus du clivage par la RNase Y deviennent alors plus sensibles à la dégradation, en 5' et 3', par les exonucléases. En combinant ces différentes techniques, il s'est avéré que la RNase Y semble s'organiser sous forme d'un oligomère ayant une forme en anneau. Cet oligomère est homogène en microscopie, globulaire et structuré en SAXS. Le domaine ID lui n'est pas complètement déstructuré comme le révèle son analyse en SAXS. Il contient des éléments de structure secondaire de type hélice α et ne possède pas de structure tertiaire, comme le concluent respectivement les analyses en CD et RMN. L'analyse en SAXS de la forme dimérique de la RNase Y révèle que le dimère est structuré mais qu'il possède une forme allongée. Les tests d'activité in vitro sur la forme dimérique et oligomérique montre que ces deux formes sont activent. Les images collectées en cryo-microscopie nous permettrons d'obtenir une structure de meilleure résolution de l'oligomère, qui semble être constitué de 8 dimères de RNase Y. / Messenger RNA decay and processing in bacteria involve a set of various ribonucleases (RNases). In Bacillus subtilis, a newly discovered endoribonuclease called RNase Y was shown to play a central role in mRNA decay by catalyzing the initial endonucleolytic cleavage reaction. Its action releases several RNA pieces that are more sensitive to degradation by exoribonucleases. By combination of these different approaches, it was found that RNase Y seems to be organized in a oligomeric form with a ring shape. This oligomer is homogenous in microscopy, globular and structured in SAXS. The intrinsically disordered domain is not completely disordered as we can conclude with the SAXS analysis. It contains some secondary structural elements (α helix) but it has no tertiary structure as we can conclude with CD and NMR analysis respectively. SAXS analysis of the RNase Y dimeric form show that this dimeric form is structured but have a very elongated shape. In vitro activity tests on both oligomeric and dimeric form reveal that these two forms are active. Oligomer cryomicroscopy pictures collected will allow us to get a structure with a better resolution. At the moment, this oligomer seems to be composed by eight RNase Y dimer.

Dans cette thèse, nous nous intéressons aux mécanismes précurseurs de la formation d'un biofilm dans le cas de la cyanobactérie Synechocystis sp. PCC 6803, en tant que micro-organisme modèle. Nous avons en premier lieu observé la motilité de cellules qui sédimentent puis diffusent librement sur une surface en verre. De plus, nous avons relevé les détails de la motilité des bactéries, qui est intermittente : des périodes de mouvements directionnels (les ``runs'') alternent avec des périodes de mouvements localisés (les ``tumbles''). Le coefficient de diffusion résultant décroît avec le temps, avant de se stabiliser; en revanche des souches mutantes relarguant moins de substance extracellulaire gardent un coefficient de diffusion constant au cours de l'expérience. Nous proposons un modèle de ralentissement basé sur une marche aléatoire à "temps continu" influencée par le recouvrement progressif de la surface par les exopolysaccharides secrétés par les bactéries. Les bactéries pourraient ainsi "reconnaître" le type de surface sur lequel elles évoluent et adapter leur motilité en conséquence, ce qui constitue une étape préliminaire dans la formation d'un biofilm. Nous avons vérifié ce point avec une étude de la diffusion sur des surfaces de différentes rigidités. L'expérience est cette fois prolongée pour étudier l'effet de la dureté du substrat sur la morphologie du biofilm. La proportion de bactéries non motiles est plus importante sur les surfaces molles. Cet effet à l'échelle de la particule conditionne en grande partie la morphologie des micro-colonies émergentes après plusieurs jours de culture, avec davantage de micro-colonies et une densité cellulaire plus hétérogène sur les surfaces molles. Nous construisons un modèle qui prend en compte la division cellulaire et le ralentissement de la dynamique individuelle, et permettant de conclure sur le lien entre rigidité de surface, dynamique cellulaire, et formation de micro-colonies. Le troisième chapitre expérimental aborde la réponse du système à des changements de conditions lumineuses, d'abord de manière isotrope puis en introduisant une lumière directionnelle. En conditions isotropes, les échelons d'intensité lumineuse perturbent les temps caractéristiques de ``run'' et de ``tumble''. Nous analysons ces variations dans le cadre de la théorie de la réponse linéaire. Nos données suggèrent qu'il est possible de décrire la réponse à une perturbation d'intensité lumineuse de manière similaire à des "stimuli" chimiques, avec la même fonction réponse. Sous un flux lumineux directionnel, nous observons une phototaxie complexe pour laquelle une fraction des cellules a un mouvement aléatoire pendant qu'une autre est sensible à l'anisotropie de l'éclairage. L'orientation des déplacements s'effectue dès l'introduction du flux lumineux, mais les temps de ``run'' et de ``tumble'' continuent d'évoluer pendant la période du flux lumineux suivant une tendance proche de celle observée en conditions isotropes. Ces résultats mettent en évidence le couplage entre l'intensité lumineuse et l'anisotropie de l'éclairage dans les mécanismes responsables de la phototaxie. / In this work, we focus on the early stages of biofilm formation, using the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 as a model micro-organism. First, we observe the motility of cells that have just reached the surface after sedimentation, and are then let free to diffuse on a glass surface. The resulting diffusion coefficient decreases with time, until it reaches a plateau value; whereas mutant strains secreting less extracellular substance do not exhibit such a slowdown. To explore the mechanism at work, we investigate the details of bacterial motility, which is intermittent: periods of directional movements (``runs'') alternate with periods of localized movements (``tumbles''). We propose a slowdown model based on a continuous-time random walk, influenced by the progressive surface coverage with the exopolysaccharides secreted by the bacteria. They could then ``recognize'' the surface onto which they are diffusing and adapt consequently their motility, which establishes a preliminary step for the biofilm formation. We have adressed this issue by studying diffusion onto surfaces with different stiffnesses. The experimentation is extended in order to analyze the effect of surface toughness on the biofilm morphology. The proportion of non-motile bacteria is higher on softer surfaces. This effect on the individual particle affects the shape of emergent microcolonies after several days of growth, with more microcolonies and a more heterogeneous surface density on soft surfaces. We build a model that takes into account cellular division and individual dynamics slowdown that enables us to point out the relation between surface rigidity, cellular dynamics, and microcolonies formation. The third experimental chapter tackles the response of the system to changes in light conditions, first in an isotropic way, then by introducing a directional light. For isotropic conditions, steps of light intensity disrupt the characteristic ``run'' and ``tumble'' times. We analyze these variations in the framework of the linear response theory. Our data suggest that it is possible to describe the response to light disruptions in the same way as what has been done for chemical ``stimuli'', with a similar response function. With a directional luminous flux, we observe complex phototaxis, in which some fraction of the cellular population displays random movements, whereas another one is sensitive to the lighting anisotropy. The displacements are oriented as soon as the luminous flux is switched on, and the ``run'' and ``tumble'' times also respond this change. Our results show that light intensity triggers bacterial motility, whether it is oriented or not.

L’objectif principal de cette étude est d’évaluer le rôle de l’activité de bactéries hydrogénotrophes et ferri-réductrices sur le processus de corrosion anoxique en utilisant des indicateurs géochimiques. Il est considéré que le couple redox H2/Fe(III) est un moteur important pour les activités bactériennes qui peuvent ainsi affecter les vitesses de corrosion par la déstabilisation des couches de passivation (i.e. magnétite, Fe3O4). Les résultats indiquent que la magnétite de synthèse est déstabilisée en présence de bactéries hydrogénotrophes et ferri-réductrices due à la réduction du Fe(III) structural couplée à l’oxydation de l’H2. La quantité de Fe(III) bioréduit est augmentée en présence de concentrations croissantes en H2 dans le système: 4% H2 < 10% H2 < 60% H2. De plus, les résultats indiquent que la réaction de corrosion est différente selon la composition de la solution et la surface de contact de l’échantillon métallique (poudre de fer ou coupon en acier au carbone). Les produits de corrosion solides sont différents pour chaque échantillon étudié: vivianite, sidérite et chukanovite sont les principales phases minérales identifiées dans les expériences avec de la poudre de fer, tandis que vivianite et magnétite sont identifiées en présence de coupons en acier au carbone. Les résultats montrent que la vitesse de corrosion est quasiment deux fois plus importante en présence de bactéries après 5 mois de réaction. Cette étude apporte une nouvelle approche sur la compréhension des phénomènes de biocorrosion, l’identification des mécanismes physico-chimiques et la détermination des paramètres contrôlant la vitesse de corrosion. / The main objective of this study is to evaluate the role of hydrogenotrophic and IRB activities on anoxic corrosion process by using geochemical indicators. It is assumed that the redox couple H2/Fe(III) is an important driver for bacterial activities potentially affecting the corrosion rate by destabilization of passive layers (i.e. magnetite, Fe3O4). Our results indicate that synthetized Fe3O4 is destabilized in the presence of hydrogenotrophic IRB due to structural Fe(III) reduction coupled to H2 oxidation. The extent of Fe(III) bioreduction is notably enhanced with the increase in the H2 concentration in the system: 4% H2 < 10% H2 < 60% H2. Moreover, the results indicate that corrosion extent changes according to the solution composition and the surface of metallic sample (iron powder and carbon steel coupon). The solid corrosion products are different for each sample: vivianite, siderite and chukanovite are the main mineral phases identified in the experiments with iron powder, while vivianite and magnetite are identified with carbon steel coupons. Our results demonstrate that corrosion rate is increased almost two-fold in the presence of bacteria after 5 months of reaction. This study gives new insights regarding the understanding of biocorrosion phenomena, identification of physicochemical mechanisms, and determination of key parameters controlling the corrosion rate.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Dans le milieu marin, les émissions biogéniques de composés iodées jouent un rôle essentiel dans le cycle biogéochimique de l’iode. Cependant les processus enzymatiques responsables de l'absorption, du stockage ou de la synthèse de métabolites iodés restent mal connus chez les chez les organismes marins, et plus encore chez les bactéries. Plusieurs gènes, potentiellement impliqués dans le métabolisme de l’iode, ont été identifiés dans le génome de la bactérie marine, Zobellia galactanivorans, dont celui codant une iodoperoxydase à vanadium (VIPO), enzyme spécifique de l'oxydation des iodures. La partie principale du projet de thèse a consisté à comprendre les mécanismes moléculaires contrôlant la spécificité pour certains halogénures des haloperoxydases à vanadium, en étudiant la VIPO de Z. galactanivorans par des approches de mutagénèse dirigée et de biologie structurale. Les douze enzymes mutantes produites et caractérisées au niveau biochimique montrent soit une perte d’activité, soit des modifications de leurs propriétés catalytiques, soit encore une faible activité bromoperoxydase. Les enzymes sauvage et mutantes ont également été étudiées par diffraction et absorption des rayons X, afin de relier les modifications structurales à leurs propriétés catalytiques. Les résultats suggèrent que le principal facteur modulant la spécificité chez ces enzymes est le potentiel d’oxydoréduction de l’intermédiaire réactionnel, le peroxovanadate. Des analyses biochimiques ont aussi été entreprises pour deux autres protéines identifiées sur le génome de Z. galactanivorans. La première protéine s’est révélée être une seconde VIPO. Pour la deuxième protéine, similaire à une iodotyrosine déiodinase, l’activité biochimique reste encore à être caractérisée. Z. galactanivorans posséderait plusieurs enzymes pouvant oxyder l’iodure, ainsi qu’une permettant de cliver les liaisons C-I. En parallèle à ce travail, la localisation et la spéciation de l’iode ont été étudiées par imagerie chimique chez Z. galactanivorans et chez l’algue brune, Laminaria digitata, connue pour ses fortes teneurs en iode. Les résultats de ce travail apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes contrôlant la spécificité des haloperoxydases à vanadium envers les halogénures, et également sur l’origine bactérienne de cette famille d’enzymes. Plus globalement, ces études permettent de mieux appréhender le rôle du métabolisme de l’iode chez certaines bactéries marines et leurs importances dans le cycle biogéochimique de l’iode. / In marine environment, biogenic emissions of iodinated compounds play an essential role in biogeochemical cycle of iodine. Nevertheless, enzymatic process involved in absorption and storage of iodine or in the synthesis of iodinated compounds are unknown marine organisms, especially in bacteria. Several genes, potentially involved in iodine metabolism, have been identified in the genome of a marine bacterium, Zobellia galactanivorans. One of these genes codes for a vanadium iodoperoxydase (VIPO), an enzyme specific of iodide oxidation. The main part of the thesis project was to understand molecular mechanisms controlling the specificity vanadium halopéroxydase (VHPO) for some halide, by studying the VIPO from Z. galactanivorans by directed mutagenesis and structural biology. To lead this project, twelve mutated enzymes were produced and characterized at biochemical level. For some of them, mutations lead to a loss of activity or to modification of catalytic properties or to a slight VBPO activity. The wild type enzyme and three mutants were also analyzed by X ray absorption and diffraction spectroscopy in order to link the structural modifications to their catalytic properties. The results of this study suggest that the main factor modulating the specificity in these enzymes is modification of redox potential of the peroxovanadate. Biochemical analyses lead with two other proteins identified in the genome of Z. galactanivorans. The first protein was characterized as a new VIPO. For the second protein, similar to mammal iodotyrosine deiodinase, the biochemical activity remains to be characterized. Z. galactanivorans seems to have several enzymes which oxidize iodide or split C-I bond. In parallel at this work, the localization and speciation of iodine were analyzed by chemical imaging in Z. galactanivorans and in the kelp L. digitata, known to concentrate highly iodide. All this information allow to a better understanding of molecular mechanisms involved in the specificity for halide in VHPO and the bacterial origin of these proteins. More generally, these studies assess to understand the role of iodine metabolism in some marine bacteria and there role in biogeochemical cycle of this element.

Ce travail a pour but le développement d'une nouvelle classe de surfaces destinée à la lutte contre la formation de biofilms. Ces surfaces se basent sur l'immobilisation de nanoréacteurs, résultant de l'auto-assemblage d'un copolymère amphiphile poly(isobutylène)-bloc-oligonucléotide sous forme de vésicules encapsulant une enzyme. Le rôle de cette enzyme est de produire des agents antimicrobiens à partir de précurseurs inactifs. Le copolymère a été synthétisé et caractérisé par des techniques complémentaires et le maintien de l'activité enzymatique a été démontré. Les surfaces bioactives sont finalement obtenues par l'immobilisation des nanoréacteurs grâce aux capacités d'hybridation des séquences nucléiques complémentaires. Nous avons d'abord montré l'influence des deux densités d'oligonucléotides utilisées sur le nombre d'E.coli adhérentes, due probablement aux variations de charges surfaciques associées. Nous avons ensuite confirmé l'influence des curli sur la cohésion des biofilms et mis en évidence une surexpression de la production de curli en présence d'oligonucléotides sur les surfaces, et ce, indépendamment de la séquence et de la topographie considérées. Finalement, nous avons observé un effet antiadhésif lié aux structures vésiculaires indépendant de la topographie de la surface. L'étude complémentaire, menée en mode de culture dynamique, a conduit à envisager que les propriétés mécaniques de la surface affectent la rétention des bactéries en modifiant leur mobilité sur la surface. L'analogie avec des résultats obtenus sur des hydrogels d'agar de différentes duretés conforte cette hypothèse. Ces résultats posent les fondements permettant d'envisager de nouvelles stratégies dans la lutte contre la formation des biofilms. / The aim of this work is to develop a new strategy for the prevention of biofilm growth. For this purpose, we prepared bioactive surfaces resulting from the surface-immobilization of nanoreactors self-assembled from amphiphilic poly(isobutylene)-block-oligonucleotide copolymers. The block copolymer was synthesized and characterized via appropriate complementary techniques. Self-assembly into vesicles allowed the functional encapsulation of enzymes, as assayed through enzyme activity monitoring, leading to a prodrug-drug system. The self-assembled structures were specifically immobilized on surfaces via base pairing between the oligonucleotide block of the copolymer and the surface tethered complementary nucleotide sequence. Using E.coli strains, we first observed an influence of the two density of oligonucleotides immobilized on the surface on the number of adherent bacteria. This influence may be due to an effect of surface charge density. We then confirmed the well-known role of curli in biofilm cohesion, and we showed gene over-expression associated with curli production on oligonucleotide-modified surfaces. We demonstrated that gene over-expression does not depend on the topographical features of the surface or on the composition of the nucleotide sequences used in this study. Finally, we demonstrated tha the presence of the vesicular structure is able to produce strong anti-adhesive properties of the surface. We assume, from observations of bacterial response in dynamic conditions, that this effect is due to increased bacterial motility on the surface, leading to a high detachment rate. Which is further confirms by a comparable bacterial response observed on agar hydrogel of different hardnesses. This result provides a preliminary outcome, paving the way to new approaches to antimicrobial strategies.

Ce travail est composé de 3 parties. La première est une étude épidémiologique avec la détection moléculaire des spécimens appartenant à six espèces d’Argasidés collectées en Algérie et identifiées morphologiquement et par biologie moléculaire. Nous avons pu détecter Borrelia hispanica dans des Ornithodoros occidentalis et Borrelia cf turicatae dans des Carios Carpensis. Dans des Argas persicus nous avons pu identifier un nouveau génotype de Bartonella spp ainsi qu’un génotype appartenant à une nouvelle espèce dans la famille des Anaplasmataceae. Dans la 2e partie, nous avons évalué la capacité vectorielle des punaises de lit à transmettre Borrelia recurrentis, l’agent de la fièvre récurrente. Pour ce fait, nous avons utilisé un modèle expérimental d’infection artificielle de Cimex lectularius par B. recurrentis pour ensuite détecter la présence de la bactérie dans les fèces. Nous avons utilisé quatre approches : la détection par qPCR, la culture à partir des fèces, la FDA (Fluorescein Diacetate) et l’inoculation des fèces aux souris. Nous avons également utilisé l’Immunofluorescence pour localiser la bactérie dans le corps de la punaise. Nous avons constaté que les punaises de lit acquièrent la bactérie et excrètent des microorganismes vivants dans les fèces. Elles peuvent être considérées comme vecteur potentiel de Borrelia recurrentis. La troisième partie s’intéresse à l’évaluation de la capacité du MALDI-TOF MS à identifier les puces, les punaises et les pathogènes associés. / This work focuses on three main parts, a first part presents an epidemiological study of bacteria associated with soft ticks in Algeria, or we identified morphologically and confirmed by molecular biology six species of Argasidae. In addition, looking further we could detect Borrelia hispanica in Ornithodoros occidentalis and Borrelia cf turicatae in Carios Carpensis. On the other hand, in Argas persicus a new genotype of Bartonella spp has been identified as well as a new species of Anaplasmatacea bacteria.A second part evaluates the vectorial capacity of bed bugs to transmit Borrelia recurrentis, the agent of the relapsing fever. For this reason an experimental model of artificial infection of Cimex lectularius by Borrelia recurrentis has been developed, to study the presence of bacteria in feces. In this model, four approaches were used: qPCR, fece’s culture, FDA (Fluorescein Diacetate) and fece’s inoculation to mice. Immunofluorescence was also used to detect the location of the bacteria in the body of the bed bug. We confirmed that bed bugs acquire the bacteria and excrete live microorganisms in the feces. They can be considered as potential vector of Borrelia recurrentis.The third part is an assessment of the capacity of MALDI-TOF MS to identified fleas, bed bugs and associated pathogens. This innovative tool, which has revolutionized medical entomology and has shown its efficiency to identify several species of arthropods, has also been able to distinguish between infected and uninfected fleas and bugs, and even distinguish between fleas and bugs infected by the same species of bacteria.