Ce travail nous a permis de proposer un cadre pour sonder la morphogenèse d'une micro-colonie bidimensionnelle. Plus particulièrement, nous avons exploré la manière dont les effets individuels de croissance et d'adhésion se combinaient au cours de la croissance de la micro-colonie. Nous avons montré (i) que l'adhésion de cellules isolées est asymétrique du fait d'un vieux pôle plus ancré et (ii) que l'allongement des bactéries peut induire des forces de poussée à l'intérieur des colonies. Dans la mesure où ces deux effets, combinés à l'échelle d'une micro-colonie, sont susceptibles de générer des contraintes mécaniques, nous avons développé une technique pour mesurer les forces d'adhésion résultantes à l'aide de substrats déformables. Nous avons ainsi démontré que des adhésions focales sont créées et rompues dynamiquement, avec un biais au vieux pôle des cellules. Nous avons aussi examiné le rôle de l'adhésion sur la forme des colonies. Nous avons montré que l'adhésion polaire était responsable de la transition d'un régime de croissance linéaire à un régime bidimensionnel qui est observée après la première division. Pour des colonies de taille plus importante, le niveau d'adhésion était aussi corrélé avec la forme globale des colonies. Enfin, l'adhésion est aussi impliquée dans la transition d'une colonie bidimensionnelle à une colonie tridimensionnelle. L'ensemble de ces résultats suggère que l'expression des adhésines ainsi que leur localisation à la surface des cellules pourraient permettre aux bactéries de moduler activement la forme du groupe dans lequel elles vivent. / In this work, we propose a framework to understand the morphogenesis of two-dimensional microcolonies. In particular, we have explored how growth and adhesion of individual cells compete during microcolony extension. We have shown (i) that isolated cells display an asymmetry in their adhesion, which is higher at the old pole, (ii) that bacterial elongation can result in pushing forces inside the colony. Since the combination of these two effects is expected to produce mechanical stress at the scale of the microcolony, we have developed a method to measure the resulting adhesion forces using deformable substrates. We have demonstrated that focal adhesions are dynamically established and ruptured, with a bias towards the old poles. We have also probed the role of adhesion in the shape of the colony. We have shown that polar adhesion drives the transition from a linear to a two-dimensional growth after the first division. At larger colony sizes, the level of adhesion continues to correlate with the global shape of the colony. Finally, adhesion is involved in the transition from a two-dimensional to a three-dimensional colony. Taken together, our results suggest that the expression of adhesins and their location at the surface of the cells could be levers by which bacteria actively modulate the shape of the group in which they reside.

Jusqu’à 40% des protéines sont connues pour fixer des métaux, ces hétéroatomes jouant un rôle capital dans la régulation, la catalyse ou le maintien de la structure de ces protéines. Ces métalloprotéines sont ubiquitaires et d’une importance primordiale dans les trois domaines du vivant. Cependant, les méthodes actuelles dédiées à l’identification des membres de cette grande famille dans les protéomes bactériens sont soit inadaptées pour des approches à grande échelle, soit présentent des performances relativement limitées en l’absence d’une structure tridimensionnelle résolue. Dans ce contexte, différents outils d’analyse de séquence ont été testés, en recherchant des descripteurs de ces protéines (e.g. motifs, domaines conservés, empreintes phylogénétiques). Pour pallier le relatif manque de sensibilité de ceux-ci, de nouveaux descripteurs ont été construits, dédiés spécifiquement à l’identification des protéines à centre fer-soufre : (i) des profils de co-conservation des ligands du métal et (ii) des profile-HMMs adaptés à la détection d’homologues distants. Les pouvoirs prédictifs respectifs de ces catégories de descripteurs ont été évalués sur un jeu de protéines fer-soufre expertisé, en les considérant soit séparément soit en combinaison. L’ensemble de ces descripteurs a finalement été intégré dans un modèle linéaire généralisé en utilisant la technique d’elastic-net. Le modèle prédictif obtenu a été évalué sur le protéome complet d’Escherichia coli, sur lequel il atteint une précision de 89% et une sensibilité de 83%. Enfin, il a été appliqué à environ 300 protéomes pour explorer différentes relations biologiques comme l’abondance relative des protéines Fe-S et la tolérance à l’oxygène des organismes auxquelles elles appartiennent. / Up to 40% of all proteins are known to bind metals, the intrinsic metal atoms providing catalytic, regulatory and/or structural roles critical to their functions. These metalloproteins are ubiquitous and of major importance within the three domains of life. However, current methods dedicated to identifying members of this large family within bacterial proteomes are either not suitable for large-scale approach or are of relatively limited performance when no 3D structural template is available. Within this context, different sequence analysis tools relying on different category of protein descriptors (e.g. patterns, conserved domains, phylogenetic prints) were assessed. To overcome their relative lack of sensibility, new descriptors, specific towards iron-sulfur proteins identification were built: (i) co-conservation profiles of the metal ligands and (ii) tailored profile-HMMs for remote homologs detection. Their respective predictive power towards the identification of a manually curated iron-sulfur proteins dataset were assessed, either separately or in combination. All relevant descriptors were finally gathered into a generalized linear model by using the elastic-net method. The predictive model has been evaluated on Escherichia coli whole proteome resulting in a precision of 89% and a recall of 83%. Eventually, it has been applied to 300 proteomes allowing investigating different biological relationships, such as iron-sulfur proteins relative abundances and the oxygen dependency of bacterial organisms.

Les microorganismes sont capables d'augmenter le potentiel libre des aciers inoxydables en eau de mer via un phénomène que l’on appelle anoblissement. Cette élévation de plusieurs centaines de millivolts du potentiel augmente le risque de corrosion localisé. L’anoblissement a été étudié pendant plus de 40 ans, et malgré son importance, les mécanismes microbiens responsables du phénomène n’ont pas été identifiés. Nous avons combiné l’écologie microbienne et l'électrochimie pour étudier la diversité des bactéries associées à l’anoblissement des aciers inoxydables. La température de l’eau de mer ainsi que la teneur en oxygène dissous sont des facteurs qui influencent l’anoblissement et nous les avons utilisés pour identifier la fraction bactérienne associée au changement de potentiel. L’anoblissement est inhibé par une température critique de l’eau de mer (au-dessus de 38°C/40°C) et par une teneur basse en oxygène dissous. A l’aide du séquençage d’amplicons ADN, nous avons identifié des unités taxonomiques opérationnels (OTUs) comme biomarqueurs de l’anoblissement. Certaines étaient affiliées à des bactéries capables de dégrader des hydrocarbures, et une OTU était affiliée à ‘Candidatus Tenderia electrophaga’, une bactérie électrotrophe capable de réduire l'oxygène avec des électrons provenant d’une électrode. Nous avons étudié le rôle de ces bactéries avec des conditions a potentiels fixés et libres avec une approche de métagénomique. Nous avons reconstitué un génome issu d’assemblage métagénomique (MAG) très proche de ‘Candidatus Tenderia electrophaga’ et associé à l'anoblissement. Avec ces résultats, nous avons proposé un nouveau mécanisme bactérien pour expliquer l’anoblissement : les bactéries électrotrophes seraient capables de réduire de l’oxygène avec des électrons provenant du film passif de l’acier inoxydable, et ainsi influencer le potentiel libre et donc l’anoblissement. / Microorganisms increase the opencircuit potential of stainless Steel immersed in seawater in a phenomenon called ennoblement.This change of potential of several hundreds of millivolts raises the chance of localized corrosion.The ennoblement has been studied for more than 40 years, and despite the importance and impact of ennoblement, little is known about the microbial mechanisms responsible for the phenomenon. We have combined microbial ecology and electrochemistry to investigate the diversity of surface attached bacteria associated with stainless steel ennoblement. Seawater temperature and dissolved oxygen content are factors that influence the ennoblement and we used them to infer the bacterial fraction associated with the phenomenon. The ennoblement is inhibited by a critical seawater tempzrature (above 38°C/40°C) and low dissolved oxygen content.With DNA amplicon sequencing, we identified operational taxonomie units (OTUs) that were biomarkers of the ennoblement. There were some OTUs affiliated to hydrocarbon degrading bacteria, and one OTU affiliated to ‘Candidatus Tenderia electrophaga’, an electrotrophic bacteria able to reduce oxygen with electrons from an electrode.We investigated the role of electrotrophic bacteria with potentiostatic and open circuit conditions and with metagenomics we recovered a metagenome assembled genome (MAG) very close to 'Candidatus Tenderia electrophaga’ associated with the ennoblement.From these results, we proposed a new bacterial mechanism to explain the ennoblement : electrotrophic bacteria would be able to reduce oxygen with électron drawn from the stainless steel passivation film, hence influencing the open circuit potential and therefore the ennoblement.

Ce travail de thèse vise l'étude des effets des étapes de récolte et de concentration des cellules, sur la dégradation des fonctionnalités de Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus CFL1. Cet objectif s'accompagne de l'identification des mécanismes physiologiques qui expliquent les différences observées. La mise en œuvre de conditions de stress modéré, permettant aux cellules de s'adapter au stress ultérieur de congélation, constitue le troisième volet abordé dans cette thèse. Lors de la première partie du travail, l'effet d'une acidification en fin de fermentation sur la cryotolérance des cellules a été analysé. Un plan d'expériences a permis de définir la condition optimale d'acidification (pH 5,25 pendant 30 min) induisant une adaptation des cellules. Elle conduit à une meilleure résistance à la congélation et au stockage à -20 °C. Deux mécanismes physiologiques à l'origine de cette adaptation ont été identifiés. Le premier est lié à l'augmentation de la concentration de l'acide gras membranaire C18:1. Le deuxième, caractérisé pour l'analyse du protéome cytoplasmique, correspond à une réduction du métabolisme azoté, une augmentation des métabolismes énergétique et nucléotidique, et à une synthèse plus importante de protéines de stress. Dans une deuxième étape, les cellules ont été concentrées selon différentes conditions de centrifugation (vitesse de rotation, durée et température). Celles-ci n'ont pas d'effet sur la résistance de Lb. bulgaricus CFL1 à l'étape de concentration elle-même, mais présentent un effet faible mais significatif sur leur cryotolérance. Les évolutions de la résistance des cellules à la congélation et au stockage étant opposés, l'effet des conditions de centrifugation sur les cellules stockées à long terme est cependant négligeable. La troisième partie de ce travail a permis de quantifier l'impact de la concentration des cellules par microfiltration, sur leur résistance aux différentes étapes du procédé et sur l'état physiologique de Lb. bulgaricus CFL1. Les résultats montrent que les cellules sont moins résistantes à l'étape de microfiltration qu'à la centrifugation. Par contre, la résistance à la congélation augmente significativement (entre 28 % et 88 %) selon les conditions de microfiltration appliquées, par rapport à la centrifugation. La meilleure cryotolérance a été obtenue pour une vitesse tangentielle égale à 2,01 m.s-1 et une pression transmembranaire de 0,15 MPa. Cette meilleure résistance est liée à une augmentation des teneurs en acides gras C16:0, 18:1 et cycC19:0, ainsi qu'à une réduction de la concentration en C14:0. Les résultats des analyses protéomiques montrent aussi que les cellules les plus actives et les plus résistantes voient leur métabolisme énergétique augmenter, alors que leur métabolisme général et azoté est, au contraire, réduit. Finalement, ce travail propose deux voies intéressantes pour l'adaptation de Lb. bulgaricus CFL1, en vue d'améliorer sa cryotolérance. Certaines réponses physiologiques générales induisant ces adaptations cellulaires ont pu être identifiées, aux niveaux membranaire et cytoplasmique.

Les sédiments des vasières intertidales, très riches en matière organique, présentent des abondances et des productions bactériennes très élevées. Par analogie avec le fonctionnement des systèmes pélagiques, il a été suggéré que les bactéries joueraient un rôle important dans les réseaux trophiques benthiques. Cependant, en raison des difficultés techniques, les études traitant de bactérivorie benthique sont peu nombreuses et produisent des résultats contradictoires. La mise au point d'une méthode utilisant des communautés bactériennes de culture enrichies en 15N comme traceur a permis de mesurer la bactérivorie d'organismes de la méiofaune et de la macrofaune. Les bactéries enrichies présentent des caractéristiques de taille, d'activité et de diversité relativement proches de celles des bactéries naturelles limitant ainsi les biais liés à une éventuelle sélectivité d'ingestion des bactérivores. Les vasières constituent des milieux dont les conditions environnementales varient très rapidement en fonction du cycle de marée. Ces variations sont susceptibles d'affecter les comportements d'ingestion de bactéries. L'influence de facteurs abiotiques (température, salinité et lumière) et biotiques (abondances algales et bactériennes) sur la bactérivorie du gastéropode Hydrobia ulvae, du foraminifère Ammonia tepida et d'un peuplement de nématodes de la vasière de Brouage (Baie de Marennes Oléron) a donc été estimé. À l'exception de A. tepida, les bactérivores sont peu affectés par les variations de facteurs abiotiques suggérant une aptitude à s'alimenter dans l'interface hypervariable air/sédiment où se forme le biofilm algal durant les exondations diurnes. Les algues ont été ingérées à un taux systématiquement plus élevé que les bactéries indiquant une importance moindre des bactéries dans la nutrition de ces organismes. Pour mesurer les variations de l'ingestion de bactéries au cours d'un cycle annuel, des expériences de broutage ont été conduites régulièrement in situ sur la vasière de Brouage. Pour les nématodes et A. tepida, la bactérivorie est négativement corrélée aux abondances d'algues du milieu ce qui indiquerait que les bactéries constituent une ressource alternative consommée lors de pénurie d'algues. Le broutage des bactérivores étudiés ne représente jamais plus de 6% de la production bactérienne. En conséquence, le broutage apparaît comme un devenir limité de la production bactérienne dans la vasière de Brouage.

L'objectif de cette thèse est l'étude par la technologie des puces à ADN, du transcriptome de la bactérie Buchnera aphidicola, qui vit en symbiose avec le puceron du pois Acyrthosiphon pisum. Le génome extrêmement réduit de Buchnera a perdu l'essentiel de ses gènes de régulation, mais conserve les voies de biosynthèse permettant la production des acides aminés essentiels pour son hôte. La première partie de cette thèse concerne le développement du logiciel ROSO, qui permet de déterminer les sondes oligonucléotidiques destinées aux puces. Une interface a été conçue pour son utilisation en ligne (http://pbil.univ-lyon1.fr/roso). Dans une seconde partie, la conception et l'utilisation d'une puce dédiée à Buchnera ont permis d'étudier le transcriptome de la bactérie, lorsque son hôte subit un stress nutritionnel et osmotique. Cette analyse montre que Buchnera est capable de réguler son expression génique et de réorienter son métabolisme, pour répondre à la demande changeante de son hôte.

Les bactéries lactiques préviennent la contamination de produits alimentaires par des bactéries pathogènes en inhibant leur prolifération, essentiellement par la production d'acide lactique et de peptides antimicrobiens nommés bactériocines. Les bactériocines sont synthétisées par voie ribosomique. Elles sont actives contre des bactéries phylogénétiquement proches incluant des pathogènes tels que Listeria et Enterococcus. Notre étude a porté sur l'isolement et la caractérisation d'une bactériocine produite par la souche KM432Bz isolée d'une boisson fermentée des Balkans, le boza et que nous avons identifiée comme un Leuconostoc pseudomesenteroides. Des analyses structurales par spectrométrie de masse et dégradation d'Edman de la bactériocine produite par Ln. pseudomesenteroides KM432Bz ont montré que sa structure primaire était similaire à celles de deux bactériocines de classe IIa, les leucocines A et B et à la leucocine A-QU15 récemment découverte. Le système génétique impliqué dans la biosynthèse de cette leucocine a été identifié et analysé. Le gène codant la préleucocine KM432Bz est identique à ceux codant les préleucocines B et A-QU15. La leucocine produite par la souche KM432Bz présente un spectre d'activité dirigé contre des espèces proches de la souche productrice telles que Lactobacillus, Leuconostoc et Weissella ainsi que des espèces pathogènes appartenant aux genres Listeria, Enterococcus et Streptococcus avec des concentrations minimales inhibitrices comprises entre 0,08 et 10 μM. Par ailleurs, il a été montré que le facteur de transcription s54, impliqué dans la transcription de la mannose perméase du système phosphotransférase, est impliqué dans la sensibilité de Listeria monocytogenes à cette bactériocine.

La diversité des organismes est essentielle pour leur capacité à évoluer et s'adapter aux variations environnementales. De ce fait, déterminer les facteurs responsables de l'origine de cette diversité ainsi que de la maintenance de la variabilité génétique observée reste un objectif fondamental en recherche. L'objectif de cette thèse était de comprendre les facteurs évolutifs maintenant le polymorphisme neutre. L'influence des processus évolutifs tels que la sélection naturelle et la dérive génétique étant complexes, nous avons combiné des approches complémentaires expérimentale et théorique. Le système expérimental utilisé, la bactérie Escherichia coli et l'amibe sociale Dictyostelium discoideum nous a permis d'étudier dans un premier temps la variabilité naturelle des interactions existant entre les deux espèces. Dans une seconde partie, nous avons étudié les traits bactériens impliqués dans cette variabilité. Nous avons montré que les bactéries portant des facteurs de virulence sont plus résistantes à la digestion des amibes, ce qui est en accord avec l'hypothèse de coïncidence évolutive des facteurs de virulence. Le deuxième volet de cette thèse concerne les aspects de génétique des populations de ce système. La troisième partie de notre expérimentation était de suivre les variations temporelles des fréquences alléliques de populations bactériennes comportant un marqueur neutre, durant 300 générations et sous quatre conditions environnementales : avec ou sans structuration spatiale et avec ou sans facteur biotique. Nous avons observé que les variations des fréquences alléliques observées étaient compatibles avec la dérive génétique. L'objectif du modèle théorique a été dans un premier temps d'étudier les effets de la stochasticité démographique sur les probabilités de fixation d'un nouvel allèle neutre arrivant dans une population résidente ainsi que sur le temps de fixation. La probabilité de fixation ainsi que le temps de fixation sont modifiés par les effets stochastiques lorsque l'on compare nos modèles à taille de population fluctuantes à un modèle à taille de population constante tel que le modèle de Moran.

Cette thèse porte sur des expériences d'évolution de bactéries, avec le but d'explorer expérimentalement comment des transferts horizontaux d'ADN au sein d'une population de bactéries peuvent ou non modifier l'évolution de cette population. La méthode utilisée pour permettre des échanges d'ADN à l'intérieur de la population repose sur la propriété de transformation naturelle de la bactérie Acinetobacter baylyi. Une expérience pilote sans brassage de génomes a été faite sur 3000 générations et nous avons analysé par séquençage les mutations et la diversité apparues pendant cette expérience. On observe une structure en multiples sous-populations compatible avec un régime d'interférence clonale. Une expérience d'évolution avec échange d'ADN ainsi qu'une expérience contrôle avec une bactérie non compétente ont été réalisées dans les mêmes conditions sur 1300 générations. Des séquençages de génomes ont été effectués sur des populations et des clones à différents temps de chaque expérience d'évolution afin de mettre en évidence les mutations apparues ainsi que leur fréquence dans la population. La diversité dans l'expérience d'évolution avec brassage est nettement plus élevée jusqu'à 970 générations et est due à différents types de mutations alors que dans l'expérience sans brassage, la diversité est essentiellement due à des SNP. Cependant dans l'expérience avec brassage, on observe à 1300 générations une baisse de la diversité qui est liée à la fixation d'une mutation dans un gène essentiel pour la transformation. Ces résultats préliminaires laissent penser que le brassage a un avantage à court terme mais qu'à long terme l'avantage lié à l'échange s'amenuise

Les bactéries aquatiques tiennent des rôles clés dans les écosystèmes aquatiques, notamment au niveau des flux de carbone et d'énergie, malgré le fait que plusieurs exemples de mixotrophie aient été répertoriés elles demeurent largement divisées en deux groupes; soit les hétérotrophes et les autotrophes. Cependant les bactéries aérobiques anoxygéniques phototrophiques (AAPB) possèdent en plus de leur métabolisme hétérotrophe un système phototrophique, basé sur la bactériochlorophyll a (BChl a) leur permettant d'obtenir un supplément d'énergie considérable. Ce groupe de bactéries, qui génère de plus en plus d'intérêt dans les milieux marins, n'a que très peu été étudier en eaux douces. Pour pallier ce manque nous avons conduit une étude biogéographique comparant l'abondance et la taille des AAPB dans 43 lacs situés dans deux régions tempérées (Cantons de l'Est et Laurentides) et une région Boréal (Eastmain), durant le cours d'une année. Les AAPB étaient présentes non seulement dans tous les lacs, mais aussi durant toute l'année et ce malgré les conditions adverses de l'hiver. L'abondance relative variait entre >1% et 37%, avec une moyenne de 6%, mais étant donnée qu'elles avaient en moyenne le double de la taille des autres bactéries, leur biomasse relative moyenne est de 10%. L'abondance, bien qu'elle suive les patrons généraux de l'ensemble de la communauté, chute durant l'hiver et est très dynamique à courte échelle ce qui indique que plusieurs facteurs de régulations pourraient agir en même temps. Nos données ne supportent pas l'hypothèse voulant que la photohétérotrophie soit avantageuse dans les milieux oligotrophes, plutôt l'abondance est positivement corrélée au carbone organique dissout. De plus, il semble que ce soit la qualité et non seulement la quantité, qui influe sur l'abondance des AAPB; ainsi il semble que leur abondance est maximale dans les milieux à forte teneur en DOC et aussi peu de chlorophylle. Or nous proposons que la photohétérotrophie pourrait agir de façon analogue au co-métabolisme en fournissant une amorce énergétique permettant d'exploiter des sources de carbones récalcitrantes. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Bactérie aérobique anoxygénique phototrophique, bacteriochlorophylle a, écologie aquatique, flux d'énergie, biogéographie.