La souche arctique Mesorhizobium sp. N33 est une bactérie psychrotrophe reconnue comme l'un des rhizobiums fixateurs d'azote le mieux adapté au froid. Le profil transcriptomique et métabolomique de la souche arctique N33 a été déterminé en identifiant les patrons d'expression génétique et les changements des metabolites sous différents stress hypothermiques. Des études utilisant des macropuces et des micropuces d'ADN et la PCR quantitative en temps réel ont montré que différentes fonctions cellulaires sont significativement affectées à basse température. Les chaperonnes, les protéines de choc au froid, la transcription, la traduction, les fonctions membranaires, les métabolismes, les systèmes de transport des éléments nutritifs, la génération d'énergie, l'accumulation de cryoprotectants (polyamines et mannitol), la detoxification des espèces réactives à oxygène (ROS), l'activité xylukinase, des facteurs de transcription et des protéines ayant des fonctions inconnues sont significativement régulés à la hausse à basse température. Beaucoup moins de gènes sont régulés à la baisse à basse température et appartiennent à diverses classes dont le métabolisme général, la motilité cellulaire, les systèmes de transport et de sécrétion, qui indiquent dans leur ensemble une baisse du métabolisme et de la dépense énergétique à basse température. Des études métabolomiques, utilisant la Chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse et la résonance magnétique nucléaire, indiquent que la souche arctique N33 régule les niveaux de plusieurs composés. L'acide linoléique polyinsaturé (18:2(9, 12)) et l'acide gras polyinsaturé 18:2 (6, 9) sont les acides gras les plus abondants pour les conditions de cultures à basse température (4 et 10°C). L'acide gras phospho/neutre mono-insaturé 14:1(11) était le plus induit (45 fois plus élevé) lh de choc au froid. Cet acide gras rend la membrane cellulaire plus fluide, permet la detoxification des cellules des espèces réactives de l'oxygène (ROS) et agit comme source d'énergie pour les cellules. L'isobutyrate était hautement (19.4 fois plus élevé) augmenté à 4°C ce qui suggère que ce composé agit comme précurseur de la modification des acides gras à basses temperatures. Les analyses des voies métaboliques des composées hydrosolubles indiquent la présence de niveaux élevés des metabolites sarcosine et glycine à faible température suggérant que ces composés agissent comme cryoprotectants, ce qui pourrait avoir un impact substantiel sur l'adaptation au froid. La souche N33 démontre plusieurs changements moléculaires reliés à sa capacité de tolérance au froid. Les résultats préliminaires sur le séquençage de la souche N33 et son assemblage en 46 segments (7.13Mbps) sont aussi rapportés dans cette thèse.

Les lagunes côtières sont des écosystèmes très productifs, qui possèdent des propriétés économiques et écologiques importantes. L'étude de la communauté bactérienne est nécessaire, du fait de ses fonctions clés dans ces systèmes côtiers, qui incluent la dégradation de la matière organique et le recyclage des nutriments. L'objectif de cette thèse est d'étudier la diversité temporelle et fonctionnelle de la communauté bactérienne de la colonne d'eau et du sédiment de la lagune du Havre-aux-Maisons, qui est un système exclusivement marin situé aux Îles-de-la-Madeleine dans le Golfe du Saint-Laurent. Une plus grande diversité de bactéries attachées aux particules, que celle libre, fut observée. Les deux communautés étaient phylogénétiquement différentes et leurs distributions temporelles étaient liées à la concentration de matière organique particulaire. Dans le sédiment, une communauté bactérienne quasi-stable au niveau du phylum était reliée à différents cycles biogéochimiques notamment le cycle du soufre. La structure de cette communauté benthique était déstabilisée lors de grosses perturbations comme les tempêtes et une hausse majeure en matière organique. Les données de la réaction en chaine par polymérase (PCR) quantitative ont confirmé l'importance du métabolisme du soufre et de la fixation de l'azote dans le sédiment. Une augmentation dans la concentration de matière organique sous la forme de bio-dépôt de moules influençait très peu l'abondance des gènes exprimés par les bactéries fixatrices d'azote, dénitrificatrices et sulfato-réductrices. Il existe potentiellement un seuil à partir duquel un changement s'opère au niveau de la diversité bactérienne associée à ces gènes. Cette étude a notamment démontré l'importance de la communauté bactérienne comme indicatrice de la composition biochimique des lagunes côtières aussi bien que d'autres types d'écosystèmes avec une haute importance biologique. / Coastal lagoons are productive ecosystems, which are economically as well as biologically important. Bacteria are largely responsible for key ecosystem functions such as organic matter degradation and nutrient recycling, and studies on their diversity and functional roles are necessary to gain knowledge on the overall ecosystem properties. The main objectif of this thesis was to investigate the temporal and functional diversity of the bacterial communities in the water column and in the sediment of the Havre-aux-Maisons lagoon; a strictly marine coastal system located in the Magdalen Islands in the Gulf of St Lawrence, Canada. In the water column, the attached bacterial community was more diverse than the free-living bacterial community and the two communities were phylogenetically different. The temporal changes in communities were linked to the concentration of particulate organic matter. At the phylum level, the sediment bacterial community structure changed little over time. This community was linked to several biogeochemical cycles, in particular to the sulfur cycle. A stable sediment bacterial community structure was altered by major disturbances such as storms and high concentrations of organic matter. Results from quantitative polymerase chain reaction targeting genes coding for enzymes used in nitrogen and sulfur metabolism indicated the importance of sulfur metabolism and potentially nitrogen-fixation in the sediment. An increase in the organic matter concentration in the form of mussel biodeposits had little influence on transcript concentrations of genes involved in denitrification, nitrogen-fixation and sulfate reduction. However there was evidence of an organic loading threshold at which a change in the diversity of the bacteria involved in denitrification and nitrogen-fixation could occur. Overall this thesis demonstrated that bacterial communities are likely good indicators of the biochemical processes in coastal lagoons and similar studies could be applied to other shallow systems.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le domaine médical a évolué drastiquement au cours des derniers siècles et la découverte du premier antibiotique, c'est-à-dire une substance qui est capable de détruire ou d'inactiver certains microorganismes, y a grandement contribué. Cette découverte a mené à une diminution du taux de mortalité causé par certaines bactéries pathogènes. Cependant, la commercialisation des antibiotiques a mené à une diversification des mécanismes de résistance par les bactéries. L'utilisation à large échelle des antibiotiques a favorisé l'émergence et le transfert de gènes de résistance aux antibiotiques (antibiotic resistance genes, ARGs) chez les bactéries. Cette résistance représente l'un des principaux enjeux de santé publique à l'échelle mondiale, en raison d'une recrudescence de maladies bactériennes qui ne répondent plus à ce traitement de première ligne. Cependant, on en sait très peu sur la dispersion des ARGs dans l'environnement et encore moins lorsqu'il s'agit de la distribution de ces gènes dans le Haut-Arctique, où les pressions climatiques risquent d'apporter plusieurs changements. L'objectif principal de ce projet est de caractériser, à l'aide d'approches métagénomiques, les ARGs des communautés microbiennes dans différents réservoirs environnementaux faisant partie d'un gradient d'influence anthropique en Arctique canadien, sur l'île de Cornwallis. Les objectifs spécifiques sont de caractériser les ARGs le long d'un continuum d'environnements influencés par l'humain (incluant un site impacté par des eaux usées) et de comparer leur distribution le long de ce gradient d'influence. Nous avons identifié des ARGs dans les tapis microbiens, l'eau du lac et les aérosols dans l'ensemble du bassin versant de Resolute Bay. Nous avons également constaté que les tapis microbiens de la région contaminée présentaient la plus grande diversité d'ARGs par rapport aux sites non contaminés. Bien que nous ayons identifiés les ARGs principalement dans les génomes bactériens, nos données suggèrent, pour la première fois, que certains virus géants sont capables d'héberger des ARGs. / The medical field has evolved dramatically over the last few centuries, and the discovery of the first antibiotic, a substance that can destroy or inactivate certain microorganisms, in 1928 was a major contributor. This discovery led to a decrease in the mortality rate caused by certain pathogenic bacteria. However, the commercialization of antibiotics has led to a diversification of various resistance mechanisms by bacteria. The widespread use of antibiotics has favored the emergence and transfer of antibiotic resistance genes (ARGs) in bacteria. Antibiotic resistance now represents one of the major global health crises due to an upsurge in bacterial-based diseases that no longer respond to this firstline treatment. However, very little is known about the dispersal of antibiotic resistance genes across different environments, and even less when it comes to the distribution of these genes in the High Arctic, where climate pressures are likely to increase the average temperature and disrupt existing microbial communities. The main objective of this project was to characterize, using metagenomic approaches, the ARGs of microbial communities in different environmental reservoirs along a gradient of anthropogenic influence in the Canadian Arctic on Cornwallis Island. The specific objectives were to characterize ARGs along a continuum of human-influenced environments (including sites impacted by sewage) and to compare their distribution along this gradient of anthropogenic influence. We identified ARGs in microbial mats, lake water and aerosols throughout the Resolute Bay watershed. We also found that microbial mats in the contaminated region had the highest diversity of ARGs relative to uncontaminated sites, and that this may be a remnant signal of the introduction of waste water. Although we identified ARGs predominantly in the genomes of bacteria, our data suggests, for the first time, that some giant viruses are capable of harbouring ARGs.

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Dans le tractus gastro-intestinal, l'adhésion des bactéries commensales à l’épithélium permet leur maintien, ce qui aide à contrôler l’implantation de germes indésirables par des mécanismes de concurrence (effets nutritionnels, sites spécifiques d'adhésion ...). Bien que le rôle de la couche du mucus (principalement composée de glycoprotéines à haut poids moléculaire, appelées mucines) recouvrant la muqueuse soit connu et décrit depuis de nombreuses années, notamment pour sa fonction de barrière protectrice, l'intérêt pour décrypter les mécanismes précis d’interaction(s) avec le microbiote (bactéries commensales, pathogènes ou probiotiques) n’a que récemment émergé. Dans ce cadre, l'objectif de cette thèse, menée en collaboration entre le Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés de Toulouse et le Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes de Toulouse, est de caractériser in vitro le comportement muco-adhésif de Lactococcus lactis, le modèle des bactéries lactiques, en utilisant des approches de quantification multi-échelles (du niveau moléculaire à l’échelle multicellulaire) sur un large panel de souches naturelles et recombinantes. Une attention particulière est accordée au rôle des mucines, en utilisant le modèle PGM (mucine gastrique de porc ou « Pig Gastric Mucin »).La première partie du travail a porté sur la quantification à l'échelle de la cellule unique des interactions entre L. lactis et une surface abiotique (polystyrène) recouverte de PGM, en utilisant la microscopie à force atomique (AFM). La faisabilité de la méthode a tout d'abord été démontrée sur la souche modèle L. lactis ssp. cremoris MG1820. La couche de PGM a été caractérisée en utilisant des méthodes analytiques complémentaires (AFM, XPS - spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X, QCM-D - Microbalance à Quartz à mesure de Dissipation...). En parallèle, les bactéries L. lactis ont été immobilisées sur la pointe AFM et utilisées comme « sonde de force », en considérant la souche naturelle IBB477 (L. lactis ssp. cremoris), d’origine laitière et présentant une forte persistance dans le tractus digestif du rat lors d’essais réalisés in vivo (collaboration avec l’Institut de Biochimie et de Biophysique de Varsovie, Pologne). Comparé aux conditions contrôle (i.e., surface de polystyrène sans PGM), les niveaux de force d'adhésion enregistrés entre L. lactis et PGM sont inférieurs, ceci en raison des répulsions électrostatiques, hydrophiles et stériques s’établissant entre la couche de PGM et la paroi cellulaire. La forme des courbes représentant l’évolution de la force au retrait en fonction de la distance est également différente. Une analyse détaillée souligne la contribution, conjointe et différente selon les souches testées, d’événements (i) non adhésifs, (ii) adhésifs non spécifiques (interactions électrostatiques, hydrophobes, de van der Waals) et (iii) adhésifs spécifiques (liaison de type ligand/récepteur). La contribution spécifique a ensuite été explorée plus finement en termes de constantes cinétiques d’association et de dissociation. Nous avons, par ailleurs, poursuivi notre exploitation de la biodiversité naturelle chez les lactocoques en étudiant la souche TIL448 (L. lactis ssp. lactis) d’origine végétale, en collaboration avec l’Institut MICALIS de Jouy-en-Josas. Nous avons ainsi démontré, pour la première fois chez L. lactis, le rôle combiné des protéines à domaine(s) MUB (« Mucus-Binding ») et des pili, à travers l'analyse approfondie des données AFM (force d'adhésion, répartition des événements adhésifs spécifiques/non spécifiques, distances d'interaction...). Le rôle des pili a été confirmé sur des souches recombinantes piliées (L. lactis ssp. lactis IL1403), toujours en partenariat avec l’Institut MICALIS de Jouy-en-Josas. En parallèle, en collaboration avec l’Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle de Villeneuve d'Ascq, nous avons cherché à identifier les O-glycannes de PGM (fractions neutre et acide), impliqués dans le processus d'interaction avec la surface bactérienne. Pour confirmer l’ensemble des résultats obtenus à l'échelle de la cellule unique et en mode statique par AFM (effet anti-adhésif de PGM, comportement muco-adhésif différent selon les souches de L. lactis), la deuxième partie du travail a été consacrée à des expérimentations à l’échelle de l’ensemble de la population bactérienne, en conditions dynamiques (QCM-D, chambre à écoulement cisaillé). Nous avons évalué par QCM-D chez les souches IBB477 et MG1820 les propriétés viscoélastiques des dépôts bactériens, en relation avec le comportement bio-adhésif vis-à-vis de la couche de PGM. Les données obtenues par AFM et chambre à écoulement cisaillé sur ces mêmes souches ont été confrontées pour accéder plus finement au mode d’interaction avec PGM (densité de liaisons sur la surface bactérienne). Enfin, nous avons évalué chez IL1403 l’effet des pili sur la dynamique de détachement et d’orientation sous cisaillement contrôlé.En conclusion, la combinaison des échelles d'observation et d’analyse, aussi bien au niveau de la cellule unique qu’à celui de l’ensemble de la population bactérienne, nous permet désormais de disposer de nouvelles connaissances sur les mécanismes diversifiés d'interaction entre L. lactis et PGM, visant à une meilleure compréhension des fonctionnalités de cette bactérie au niveau du tractus gastro-intestinal / In the gastrointestinal tract, adhesion of commensal bacteria to epithelial cells allows their retention, which helps to control the implementation of unwanted germs through mechanisms of competition (nutritional effects, specific sites of adhesion ...). Indeed, bacterial adhesion to the intestinal epithelium seems to be important for the balance of intestinal microbiota. Although the role of the mucus layer lining the mucosa, which is mainly composed of large glycoproteins termed mucins, is known and described for many years, particularly for its protective barrier function, the interest for unraveling precise mechanisms of interaction with bacteria (commensal, pathogens or probiotics) has just recently emerged. In this framework, the aim of the PhD thesis was to characterize in vitro muco-adhesive behavior of Lactococcus lactis, the model of Lactic Acid Bacteria, using multi-scale approaches (from molecular to multicellular levels) on a large set of natural and recombinant strains. A particular attention was paid to the role of mucins, using the PGM model (Pig Gastric Mucin).The first part of the work was focused on the quantification at nanoscale of interactions between L. lactis and adsorbed PGM, using AFM. The feasibility of the method was first demonstrated on the reference strain MG1820. PGM coating was characterized using a complementary set of analytical methods (AFM, XPS, quartz crystal microbalance with dissipation monitoring…). In parallel, L. lactis cells were immobilized onto the AFM tip and used as a living force probe, considering the natural strain IBB477 (L. lactis subsp. cremoris), isolated from Polish artisanal dairy products and previously shown to display in vivo retention in the rat gut (collaboration with the Institute of Biochemistry and Biophysics of Warsaw, Poland). Compared to control conditions (i.e., no PGM coating), adhesion force levels recorded for PGM were lower, due to the interplay of electrostatic, hydrophilic and steric repulsions. The shape of retraction force-distance curves for L. lactis/PGM interactions was also different. The detailed analysis of curve shape highlighted the contribution of non-adhesive, non-specific (electrostatic, hydrophobic, van der Waals interactions) and specific adhesive events (ligand/receptor bonding), depending on the strain under study. Specific forces were analyzed in terms of dissociation/association kinetic constants.We then explored the natural biodiversity among lactococci by studying the natural strain of L. lactis (subsp. lactis) TIL448 from plant origin, in collaboration with MICALIS (Jouy-en-Josas). We demonstrated, for the first time for L. lactis, the combined role played by “MUB-like” domain-containing protein and pili, through the thorough analysis of AFM data (adhesion force, repartition of specific/non-specific adhesive events and distances of interaction…). The role of pili was also confirmed with recombinant piliated strains (L. lactis subsp. lactis IL1403), in partnership with MICALIS (Jouy-en-Josas). In parallel, in collaboration with the “Unité de Glycobiologie Structurale et Fonctionnelle de Villeneuve d'Ascq”, a first attempt was done to identify the O-glycans of PGM (neutral and acid fractions), involved in interactions with the bacterial surface.To confirm these results achieved at single-cell scale and under static mode by AFM (anti-adhesive of PGM, different muco-adhesive properties among several strains of L. lactis), the second part of the work was devoted to experiments at multicellular scale under dynamic conditions (quartz crystal microbalance with dissipation monitoring – QCM-D, shear stress flow chamber). We evaluated by QCM-D, for MG1820 and IBB477 strains, the viscoelastic properties of the cell layers, in relation with the bio-adhesive behavior towards PGM. The data obtained by AFM and shear stress flow chamber were combined to access more precisely to the interaction mode with PGM (density of bonds over the cell surface). Finally, using the recombinant piliated strain (IL1403), we focused on the effect of pili on detachment and re-orientation dynamics under shear flow

La méthylation de l'ADN est une marque épigénétique importante chez les mammifères. Malgré le fait que la méthylation de la cytosine en 5' (5mC) soit reconnue comme une modification épigénétique stable, il devient de plus en plus reconnu qu'elle soit un processus plus dynamique impliquant des voies de méthylation et de déméthylation actives. La dynamique de la méthylation de l'ADN est désormais bien caractérisée dans le développement et dans le fonctionnement cellulaire des mammifères. Très peu est cependant connu concernant les implications régulatrices dans les réponses immunitaires. Pour se faire, nous avons effectué des analyses du niveau de transcription des gènes ainsi que du profilage épigénétique de cellules dendritiques (DCs) humaines. Ceux-ci ont été faits avant et après infection par le pathogène Mycobacterium tuberculosis (MTB). Nos résultats fournissent le premier portrait génomique du remodelage épigénétique survenant dans les DCs en réponse à une infection bactérienne. Nous avons constaté que les changements dans la méthylation de l'ADN sont omniprésents, identifiant 3,926 régions différentiellement méthylées lors des infections par MTB (MTB-RDMs). Les MTB-RDMs montrent un chevauchement frappant avec les régions génomiques marquées par les histones associées avec des régions amplificatrices. De plus, nos analyses ont révélées que les MTB-RDMs sont activement liées par des facteurs de transcription associés à l'immunité avant même d'être infecté par MTB, suggérant ces domaines comme étant des éléments d'activation dans un état de dormance. Nos données suggèrent que les changements actifs dans la méthylation jouent un rôle essentiel pour contrôler la réponse cellulaire des DCs à l'infection bactérienne. / DNA methylation is an important epigenetic mark in mammals. Although methylation at the 5’ position of cytosine (5mC) is recognized as a stable epigenetic modification, it is becoming increasingly viewed as a more dynamic process that involves both active methylation and demethylation pathways. While the dynamics of DNA methylation has been well characterized in mammalian development and normal cellular function, little is known about its regulatory implications in immune responses. To that end, we performed comprehensive transcriptional and epigenetic profiling of primary dendritic cell (DC) samples from humans, before and after infection with Mycobacterium tuberculosis (MTB). Our results provide the first complete genomic portrait of the extensive epigenetic remodeling occurring in primary DCs in response to a bacterial infection. We found that active changes in DNA methylation are pervasive, identifying 3,926 MTB-induced differentially methylated regions (MTB-DMRs). MTB-DMRs show a striking overlap with genomic regions marked by histones associated with enhancer activity. ATAC-seq footprinting analysis revealed that regions that change methylation were actively bound by immune-related TFs prior to MTB-infection suggesting that these domains are likely to represent enhancer elements in a poised state. Our data suggests that active changes in DNA methylation play an essential and previously unappreciated role at controlling of the regulatory programs engaged by DCs in response to a bacterial infection.

Les réchauffements climatiques associés aux activités anthropiques ont soumis les écosystèmes arctiques à des changements rapides qui menacent leur stabilité à court terme. La diminution dramatique de la banquise arctique est une des conséquences les plus concrètes de ce réchauffement. Dans ce contexte, comprendre et prédire comment les systèmes arctiques évolueront est crucial, surtout en considérant comment les flux de carbone (C) de ces écosystèmes - soit des puits nets, soit des sources nettes de CO2 pour l'atmosphère - pourraient avoir des répercussions importantes sur le climat. Le but de cette thèse est de dresser un portrait saisonnier de l’activité bactérienne afin de déterminer l’importance de sa contribution aux flux de carbone en Arctique. Plus spécifiquement, nous caractérisons pour la première fois la respiration et le recours à la photohétérotrophie chez les microorganismes du golfe d’Amundsen. Ces deux composantes du cycle du carbone demeurent peu décrites et souvent omises des modèles actuels, malgré leur rôle déterminant dans les flux de C non seulement de l’Arctique, mais des milieux marins en général. Dans un premier temps, nous caractérisons la respiration des communautés microbiennes (RC) des glaces de mer. La connaissance des taux de respiration est essentielle à l’estimation des flux de C, mais encore limitée pour les milieux polaires. En effet, les études précédentes dans le golfe d’Amundsen n’ont pas mesuré la RC. Par la mesure de la respiration dans les glaces, nos résultats montrent des taux élevés de respiration dans la glace, de 2 à 3 fois supérieurs à la colonne d'eau, et une production bactérienne jusqu’à 25 fois plus importante. Ces résultats démontrent que la respiration microbienne peut consommer une proportion significative de la production primaire (PP) des glaces et pourrait jouer un rôle important dans les flux biogéniques de CO2 entre les glaces de mer et l’atmosphère (Nguyen et Maranger, 2011). Dans un second temps, nous mesurons la respiration des communautés microbiennes pélagiques du golfe d’Amundsen pendant une période de 8 mois consécutif, incluant le couvert de glace hivernal. En mesurant directement la consommation d'O2, nous montrons une RC importante, mesurable tout au long de l’année et dépassant largement les apports en C de la production primaire. Globalement, la forte consommation de C par les communautés microbiennes suggère une forte dépendance sur recyclage interne de la PP locale. Ces observations ont des conséquences importantes sur notre compréhension du potentiel de séquestration de CO2 par les eaux de l’Océan Arctique (Nguyen et al. 2012). Dans un dernier temps, nous déterminons la dynamique saisonnière de présence (ADN) et d’expression (ARN) du gène de la protéorhodopsine (PR), impliqué dans la photohétérotrophie chez les communautés bactérienne. Le gène de la PR, en conjonction avec le chromophore rétinal, permet à certaines bactéries de capturer l’énergie lumineuse à des fins énergétiques ou sensorielles. Cet apport supplémentaire d’énergie pourrait contribuer à la survie et prolifération des communautés qui possèdent la protéorhodopsine. Bien que détectée dans plusieurs océans, notre étude est une des rares à dresser un portrait saisonnier de la distribution et de l’expression du gène en milieu marin. Nous montrons que le gène de la PR est présent toute l’année et distribué dans des communautés diversifiées. Étonnamment, l’expression du gène se poursuit en hiver, en absence de lumière, suggérant soit qu’elle ne dépend pas de la lumière, ou que des sources de photons très localisées justifie l’expression du gène à des fins sensorielles et de détection (Nguyen et al., soumis au journal ISME). Cette thèse contribue à la compréhension du cycle du C en Arctique et innove par la caractérisation de la respiration et de l’efficacité de croissance des communautés microbiennes pélagiques et des glaces de mer. De plus, nous montrons pour la première fois une expression soutenue de la protéorhodopsine en Arctique, qui pourrait moduler la consommation de C par la respiration et justifier son inclusion éventuelle dans les modélisations du cycle du C. Dans le contexte des changements climatiques, il est clair que l'importance de l’activité bactérienne a été sous-estimée et aura un impact important dans le bilan de C de l'Arctique. / Arctic ecosystems are undergoing rapid changes, primarily due to unprecedented climatic warming as a function of anthropogenic activities, which threaten their short-term stability. One of the most dramatic impacts has been the loss and change in annual sea ice. Understanding and predicting how these systems will evolve is crucial, especially if considering how carbon (C) fluxes from these ecosystems – either net sinks or net CO2 sources for the atmosphere – could have important repercussions on global climate. The objective of this thesis is to establish a seasonal portrait of bacterial activity to characterize its contribution to Arctic carbon fluxes. Specifically, we quantify for the first time microbial respiration in sea-ice and the water column and explore the use of photoheterotrophy by microorganism over an annual cycle in the Amundsen Gulf of the Arctic Ocean. These components of carbon cycling remain poorly understood and infrequently directly measured. As a consequence they are either extrapolated or omitted from models, despite their significant role in C dynamics not only in the Arctic, but also in marine systems in general. First, we characterise respiration in sea-ice microbial communities (CR). An understanding of respiration rates is essential for accurate estimation of C fluxes, but the role of respiration in sea ice is poorly understood. This work represents the first comprehensive evaluation of respiration in polar sea ice to date. Using novel O2 consumption measurements in sea-ice, we found high respiration rates in sea-ice, 2 to 3 times higher than in the water column and bacterial production rates up to 25 times higher. These results show that microbial respiration can consume a significant portion of sea ice primary production (PP) and play a key role in biogenic CO2 fluxes between sea-ice and the atmosphere (Nguyen and Maranger, 2011). Second, we measure respiration of pelagic microbial communities of Amundsen Gulf over an eight-month period, including under the winter ice-cover. By measuring directly O2 consumption, we show high CR, measurable over the whole year and greatly surpassing C inputs from PP. Globally, high C consumption by microbial communities supports a high reliance on internal recycling of local PP. These observations have important consequences on our understanding of the CO2 sequestering potential of the Arctic Ocean (Nguyen et al., 2012) Finally, we describe the seasonal patterns in presence (DNA) and expression (RNA) of the proteorhodospin (PR) gene, involved in bacterial photoheterotrophy. The PR gene, combined with the retinal chromophore, allows bacteria to capture energy from light towards energetic or sensory purposes. This additional energy source could contribute to the survival and proliferation of bacterial communities expressing the gene in the highly variable polar environment. Although PR has been found in many oceans, this study represents a unique time-series that follows the seasonal distribution and expression of the gene in a natural marine system. We show that the PR gene was present over the whole study period and widely distributed in diverse bacterial communities. Surprisingly, we observed continued PR expression over winter, in the absence of sunlight. This suggests either that the PR’s expression does not depend on light or, that other very localized photon sources could justify PR expression for detection and sensory functions (Nguyen et al., submitted to the ISME journal). This thesis contributes to the understanding of Arctic carbon cycling and includes several novel elements such as the characterization of respiration and bacteria growth efficiency in both pelagic and sea-ice habitats. The use of an alternative C pathway by bacteria in the Polar ocean was also explored for the first-time in a time-series. The observed sustained expression of the PR gene in the Arctic could modulate C consumption by respiration and justify its inclusion in future models of C cycling. In a context of climate change, it is clear that bacterial activity has been underestimated and how this will change in a warmer Arctic will have a significant impact in the ecosystem’s overall C budget.

Cry6Aa1, une nouvelle toxine produite par Bacillus thuringiensis (Bt), agit comme insecticide sur la chrysomèle du maïs (WCRW). Dans cette étude, on démontre que Cry6Aa1 est une toxine formeuse de pores (TFP) en bicouches lipidiques planes (BLP). Contrairement aux autres toxines de Bt étudiées jusqu’à présent, la formation de pores par Cry6Aa1 ne requiert pas de prétraitement par protéases et se produit à des doses de toxine deux à trois ordres de grandeur plus faibles que celles nécessaires pour les autres toxines de Bt dans les mêmes conditions. La formation de pores par la forme non traitée de Cry6Aa1 dépend du pH; les pores obtenus ont des conductances comprises entre 31 et 689 pS en conditions symétriques de 150 mM de KCl; ils sont cationiques avec un comportement cinétique complexe. Les propriétés biophysiques des pores ne changent pas lorsque la toxine est traitée avec le suc du mésenthéron de l’insecte (Cry6Aa1 WCR1). Par contre, un traitement à la trypsine (Cry6Aa1 TT) modifie la conductance et la sélectivité des pores à pH 5,5 (le pH physiologique de l’intestin de WCRW). La reconstitution en BLP de fraction de membrane native du mésenthéron de WCRW affecte les propriétés des pores formés par Cy6Aa1. Les déterminants moléculaires du mode d’action de cette nouvelle toxine formeuse de pores semblent donc différer de ceux décrits précédemment pour d’autres toxines de Bt. La structure atomique tridimensionnelle de Cry6Aa1 vient tout juste d’être élucidée. Elle montre que la toxine adopte une conformation riche en hélices α qui ressemble fortement à celle de la TFP ClyA produite par E. coli. En se fondant sur les données disponibles pour ClyA, on a étudié l’effet de divers changements dans les régions N et C terminales de Cry6Aa1 sur sa capacité de former des pores en BLP. / Cry6Aa1 is a new toxin produced by Bacillus thuringiensis (Bt), which displays insecticidal activity against the Western corn rootworm (WCRW). The present work demonstrates that Cry6Aa1 is a pore-forming toxin (PFT) in planar lipid bilayers (PLBs). Contrary to other Bt toxins tested so far, pore formation by Cry6Aa1 does not require protease pretreatment and takes place at doses that are two to three orders of magnitude lower than those required for other Bt toxins under similar conditions. Pore formation by Cry6Aa1 is pH-dependent; the conductances of the pores range between 31 and 689 pS under symmetrical 150 mM KCl conditions; they are cationic and display a complex kinetic behaviour. The treatment of the toxin with midgut juice (Cry6Aa1 WCR1) does not change the biophysical properties of the pores. However, the treatment with trypsin (Cry6Aa1 TT) affects their conductance and selectivity at pH 5.5 (the WCRW gut physiological pH). The incorporation in PLBs of native membrane material from WCRW midgut affects the behaviour of the Cry6Aa1 pores. The molecular determinants of the mode of action of this new PFT appear therefore to differ from those reported before for other Bt toxins. The three-dimensional (3-D) atomic structure of Cry6Aa1 has just been elucidated. It shows that the toxin assumes an α-helix-rich configuration, which is quite similar to that of the ClyA PFT produced by E. coli. Based on the data available for ClyA, we have studied how different changes in the N- and C-terminal regions of Cry6Aa1 affect its pore formation ability in PLBs.

L’adhésine impliquée dans l’adhérence diffuse (AIDA-I) est une adhésine bactérienne présente chez certaines souches d’Escherichia coli qui, associée aux toxines Stx2e ou STb, contribue à l’apparition de la maladie de l’œdème ou de la diarrhée post-sevrage chez les porcelets. AIDA-I est un autotransporteur qui confère des capacités d’autoaggrégation, de formation de biofilms et d’adhésion. L’objectif principal du projet de recherche consistait en la recherche de récepteur(s) potentiel(s) d’AIDA-I. Les bactéries pathogènes adhèrent aux cellules-cibles soit en liant directement des molécules à la surface cellulaire ou en utilisant des molécules intermédiaires qui permettent de diminuer la distance séparant la bactérie de la cellule-cible. Puisque le sérum est un fluide qui contient de nombreuses molécules, celui-ci a été utilisé comme matériel de départ pour l’isolement de récepteur(s) potentiels. Nous avons isolé un récepteur potentiel à partir du sérum porcin : l’apolipoprotéine A-I. L’interaction entre l’apolipoprotéine A-I et AIDA-I a été confirmée par ELISA et microscopie à fluorescence. La capacité à envahir les cellules épithéliales offre aux pathogènes la possibilité d’établir une niche intracellulaire qui les protègent contre les attaques du milieu extérieur. La présente étude a démontré que la présence d’AIDA-I en tant que seul facteur de virulence chez une souche de laboratoire permet de conférer la capacité d’envahir les cellules sans promouvoir la survie intracellulaire. L’étude de la souche sauvage 2787, exprimant AIDA-I en association avec d’autres facteurs de virulence, a démontré une différence significative pour les phénotypes d’invasion et de survie intracellulaire face à la souche de laboratoire exprimant AIDA-I. / The adhesin involved in diffuse adherence (AIDA-I) is a bacterial adhesin associated with some Escherichia coli strains that might, when associated with toxin Stx2e or STb, contribute to the development of edema disease or post-weaning diarrhea in piglets. AIDA-I is an autotransporter that mediates various phenotypes such as adhesion, autoaggregation and biofilm formation. The main aim of our project was to find potential receptor(s) for AIDA-I. Pathogens can either bind cell directly by targeting exposed cell surface molecules or use an intermediate molecule as a bridge to lessen the space separating them from their target cell. Serum is known to contain a wide range of molecules so it has been used as raw material for the isolation of a putative receptor for AIDA-I. We isolated a putative receptor for AIDA-I: the apolipoprotein A-I. The interaction between the apolipoprotein A-I and AIDA-I was confirmed by ELISA and fluorescent microscopy. The capacity to invade epithelial cell enables pathogens to create an intracellular niche that protects them against attacks from the extracellular environment. The present report has shown that the presence of AIDA-I as the sole virulence factor in a laboratory strain, enable bacteria to invade cultured cells but does not promote intracellular survival. Studies conducted on wild-type strain 2787, which express AIDA-I in association with other virulence factors, has shown a significant difference in invasion and intracellular survival phenotypes compared to the laboratory strain expressing AIDA-I.

Le système de sécrétion de type II (T2SS) est largement répandu chez les bactéries à Gram négatif et est, entre autre, exploité par de nombreux pathogènes pour sécréter des facteurs de virulence dans le milieu extérieur. Le T2SS est constitué de 12 à 15 protéines différentes s’associant en une machinerie complexe qui traverse la totalité de l’enveloppe bactérienne. Ce système assure la sécrétion de protéines repliées du périplasme au milieu extracellulaire. Le mode de fonctionnement de cette machinerie n’est toujours pas connu. Pour comprendre les mécanismes moléculaires régissant la sécrétion des protéines par le T2SS, nous avons utilisé comme modèle le T2SS de la bactérie phytopathogène Dickeya dadantii, nommé Out, qui assure la sécrétion de pectinases entrainant la pourriture molle chez de nombreux végétaux. Nous avons employé des approches de pontage disulfure, double hybride bactérien et GST-pull down afin d’étudier l’arrangement et l’organisation des composants au sein du système de sécrétion. Nous avons ainsi montré que les composants de la membrane interne et la sécrétine de la membrane externe se coordonnent entre eux grâce à un réseau d’interactions complexe et dynamique qui peut être modifié par la présence d’une protéine à sécréter. En combinant des approches génétiques, biochimiques, structurales et bioinformatiques, nous avons étudié le mécanisme de reconnaissance de la pectinase PelI, par deux composants majeurs du système, la protéine de membrane interne OutC et la sécrétine OutD qui forme le pore du T2SS dans la membrane externe. Nous avons montré que PelI interagit avec les domaines périplasmiques HR et PDZ d’OutC et N0 et N1 d’OutD. La présence de N1 renforce l’interaction PDZ/PelI suggérant que le processus de sécrétion pourrait être régi par une succession de contacts synergiques. PDZOutC reconnait une boucle de 9 résidus au sein de l’exoprotéine PelI. Cette boucle constitue un motif d’adressage spécifique contrôlant le recrutement de PelI par la machinerie de sécrétion Out. Des études in silico et in vivo ont montré l’existence de régions similaires à cette boucle au sein d’autres pectinases sécrétées par D. dadantii. Par ailleurs, l’interaction N1OutD/PelI impliquerait un contact de brins β ainsi que la région non structurée située en amont de N1. Ces travaux constituent la première démonstration expérimentale du rôle de signal de sécrétion d’un élément structural précis d’une exoprotéine sécrétée par un T2SS. Ils ont également permis pour la première fois de caractériser des sites précis d’interactions entre une protéine sécrétée et des composants du T2SS. Cette étude constitue une avancée majeure dans la compréhension des mécanismes moléculaires qui gouvernent le recrutement et la sécrétion des protéines par le système de type II. / The type II secretion system (T2SS) is widespread in Gram-negative bacteria. It is notably exploited by various pathogenic bacteria to secrete virulence factors into the extracellular milieu and host tissues. The T2SS is composed of 12 to 15 proteins that assemble together into a complex machine that spans the bacterial envelope. It allows the translocation of fully folded proteins from the periplasm across the outer membrane. The exact mode of action of this sophisticated machine is still unknown. The phytopathogenic bacterium Dickeya dadantii uses a T2SS, named Out, to secrete several plant cell-wall degrading enzymes that cause the soft rot disease of many plants. We used the Out system of this bacterium as a model to study the molecular mechanism of protein secretion by T2SS. In order to study the mutual arrangement of the different components of this machinery, we used disulfide bonding, bacterial two hybrid and GST-pull down. We showed that the components of the inner membrane platform interact together and we characterized several interfaces between the inner membrane component OutC and the outer membrane secretin OutD. These various contacts create a complex and dynamic network within the secretion machine that can be modulated by the presence of a protein to be secreted. Subsequently, we combined genetic, biochemical, structural and bioinformatics approaches to study how the pectinase PelI is recognized by the inner membrane component OutC and the pore-forming secretin OutD. We showed that PelI interacts with the periplasmic domains HR and PDZ of OutC and N0 and N1 of OutD. The presence of N1OutD positively modulates the PDZ/PelI interaction, suggesting that protein progression through the T2SS could involve a succession of synergistic contacts. The OutC PDZ domain recognizes a short loop of PelI. This loop acts as a specific secretion signal that controls exoprotein recruitment by the T2SS. Concerted in silico and in vivo approaches suggest the occurrence of equivalent secretion motifs in other exoproteins. The interaction between PelI and OutD could involve a β-strand contact and an intrinsically disordered region located upstream of N1. This work provides the first experimental evidence of molecular mechanisms that govern exoprotein recruitment by the T2SS. Notably, we identified a short structural element acting as a secretion signal and characterized for the first time the interfaces between the T2SS components and a protein to be secreted. This study provides important new mechanistic insights to understand the functioning of this secretion machine.