Cette thèse porte sur la modélisation, l'analyse et le contrôle de réseaux de régulation génétique dans la bactérie E. Coli, avec les outils de la Théorie du Contrôle. On utilise plusieurs formalismes (qualitatif/quantitatif, déterministe/stochastique) pour décrire les différents systèmes. Dans la première partie de la thèse, on considère le problème du contrôle du taux de croissance pour les bactéries. Le taux de croissance est une caractéristique essentielle pour l'industrie des biotechnologies, et cette recherche peut ouvrir la voie à de nouvelles stratégies antimicrobiennes. Nous avons développé de nouveaux formalismes qualitatifs, basé sur les systèmes affines par morceaux différentiels, qui couplent l'expression des gènes et la croissance. Nous appliquons ces formalismes à de petits modèles de circuits génétiques synthétiques (conçus avec nos collaborateurs de Ibis, Inria Grenoble), et étudions des boucles de contrôle ouvertes ou fermées. Par une étude du portrait de phase et des bifurcations, nous montrons que la stratégie qualitative de contrôle proposée, qui agit sur la machinerie cellulaire globale, permet de contrôler le taux de croissance. Pour trouver les composants les plus représentatifs de cette machinerie cellulaire, nous testons plusieurs modèles de taux de croissance, avec des outils de calcul booléens. Dans la seconde partie de la thèse, nous développons un modèle simplifié de la machinerie cellulaire globale chez E. Coli, basé sur des équations différentielles, et dont les paramètres sont identifiés à partir de données de la littérature pour plusieurs taux de croissance. / This thesis deals with modelling, analysis and control of gene regulatory networks in the bacterium E. coli, with tools of Control Theory. Different mathematical methodologies (qualitative/quantitative, deterministic/stochastic) have been used to best describe the different biological systems under investigation. Notably, in the first part of the thesis we mainly addressed the problem of controlling the growth rate of bacterial cells. Growth control is essential in industrial biotechnology and fundamental research of this kind could pave the way to novel types of antimicrobial strategies. To this aim we developed new qualitative mathematical formalisms, derived from piecewise linear systems, to couple gene expression with growth rate. We applied these formalisms to small E. coli synthetic gene circuit models (conceived with our collaborators from Ibis, Inria Grenoble) implementing both open and closed loop configurations. By means of phase plane analysis and bifurcation diagrams we showed that the proposed qualitative control strategies, which act on the gene expression machinery (GEM), can mathematically control the cell growth rate. Moreover, in order to identify the key components of GEM that mostly determine the bacterial growth rate, we also tested several growth rate models using Boolean computational tools. In the second part of the thesis, we developed a coarse-grained, but quantitative, ODE model of E. coli GEM whose parameter values have been identified from published experimental data at different steady state growth rate values.

Une partie de ce travail de thèse a consisté à appliquer les méthodes de FISH pour l’étude de trois bactéries pathogènes intracellulaires. La viabilité de Bartonella henselae a été évaluée à partir de ganglions de patients atteints de la maladie des griffes du chat (CSD). Le faible taux d’ARN détecté par biologie moléculaire, la stérilité des cultures, l'absence de détection par analyses histologiques et FISH confirment que B. henselae n'est pas ou rarement viable dans les ganglions de patients atteints de CSD. Tropheryma whipplei, l’agent de la maladie de Whipple, a été identifié et localisé par FISH, dans les macrophages d’un ganglion et d’une biopsie pulmonaire, confirmant le diagnostic infectieux. Deux méthodes de FISH ont été testées pour détecter Coxiella burnetii dans des cas d’endocardites et d’infections vasculaires en utilisant des sondes oligonucléotidiques et des sondes PNA. Les résultats ont confirmé une meilleure efficacité des sondes PNA et démontré que les techniques de FISH sont plus sensibles que l’immunohistochimie pour le diagnostic des endocardites et des infections vasculaires à C. burnetii. Nous avons également évalué les stratégies moléculaires mises en place pour le diagnostic syndromique. Bien que la PCR conventionnelle à large spectre permette l'identification de micro-organismes fastidieux et anaérobies, la PCR spécifique en temps réel révèle une supériorité significative dans le diagnostic syndromique. En conclusion, ce travail a permis de démontrer l’efficacité et l’applicabilité de la FISH pour la détection bactérienne. Cette méthode peut être utilisée comme un outil complémentaire afin d'améliorer le diagnostic de microbiologie clinique. / We applied FISH methods to the study of three intracellular pathogenic bacteria. The viability of Bartonella henselae was evaluated in a large series of lymph nodes from patients with cat scratch disease (CSD). The results obtained, associated with sterile cultures and negative histological analyzes and FISH, as well as the low level of RNA detected by molecular biology, provide evidence that B. henselae are not or are rarely viable in the lymph nodes of patients with CSD. Tropheryma whipplei has been identified by FISH in macrophages from one lymph node and for the first time in a pulmonary biopsy, confirming the diagnosis of infection. Two methods of FISH have been tested to detect Coxiella burnetii in cases of endocarditis and vascular infections using oligonucleotide and PNA probes. The results attested to the greater efficiency of PNA probes, and demonstrated that FISH were applicable for the diagnosis of C. burnetii endocarditis. We also evaluated the molecular strategies used for syndrome-driven diagnosis of infectious diseases. Although conventional broad-spectrum PCR allows for the identification of fastidious and anaerobic microorganisms, real-time specific PCR reveals a significant superiority in syndrome-driven diagnosis. The addition of specific PCRs in real time PCR would improve our molecular strategies, for example, in the case of the detection of Staphylococcus aureus for the diagnosis of lymphadenopathy. In conclusion, this work demonstrates the effectiveness and applicability of FISH for the identification of intracellular bacteria. This method can be used as an important complementary tool to the improvement of clinical microbiological diagnosis.

Les bactéries ont colonisé toutes les niches écologiques de la planète. Plus précisément, les sols sont l’hôte de la plus grande biodiversité terrestre, la faune microbienne. Cette grande diversité de bactéries et leur relative ubiquité rendent difficile l’identification des variables contrôlant la distribution spatiale des bactéries vivant dans le sol. Comme les bactéries du sol jouent un rôle important dans les grands cycles biogéochimiques globaux, il est important de mieux comprendre les variables qui peuvent influencer la composition bactérienne des sols. Dans cette thèse, nous émettons l'hypothèse que l'hétérogénéité de la composition de la communauté bactérienne apparaît à la même échelle spatiale que l'hétérogénéité des propriétés physico-chimiques du sol. Afin de comprendre la relation entre la composition bactérienne des sols (à l’échelle d’une carotte de sol jusqu’à l’échelle d’une région entière du nord de la France) et les paramètres physico-chimiques du sol à différentes échelles spatiales, nous allons utiliser une approche intégrant des données issues d’analyses SIG (Système d’Information Géographique), d’analyses physico-chimiques du sol et d’analyses des communautés bactériennes du sol. A travers une suite de trois expérimentations, nous allons répondre à trois questions: Est-ce qu’une pression environnementale uniforme à une plus grande échelle (cm) peut atténuer l’hétérogénéité microbienne à micro-échelle? Est-ce que les variables ayant une distribution spatiale suivant un gradient géographique sont des variables structurant fortement la distribution spatiale des bactéries à l’échelle de ce même gradient? Est-ce que certains bio-indicateurs à grandes échelles peuvent intégrer des groupes de variables pour modéliser la distribution des bactéries pour une région entière ? / The bacteria have colonized all the niches of the planet. Specifically, soils are home of the largest terrestrial biodiversity, microbial fauna. This great diversity of bacteria and their relative ubiquity make it difficult to idendified variables driving the spatial distribution of bacteria living in the soil. As soil bacteria play a significant role in the main global biogeochemical cycles, it is important to better understand the variables that can influence bacterial composition of soils. In this thesis, we hypothesize that heterogeneity of the bacterial community composition appears at the same scale level as the heterogeneity of soil physicochemical properties. In order to understand the relationship of bacterial composition of soils (from core experiment to field study in large region in the northern France) and soil factors at different spatial scales, we will use an approach coupling GIS tools, soil physico-chemical analysis and 16S rRNA gene NGS. With Three set of experiment we will answer three questions: Can a uniform environmental pressure at a larger scale (cm) overcome microbial micro-scale heterogeneity? Are geographical gradients strong drivers of the microbial community structure at the scale of the gradient? Do large-scale geographical features that integrate groups of parameters model the differences in microbial community structure for an entire region?

Les bactéries lactiques (BAL) ont été utilisées par l\'humanité depuis des siècles en raison de leurs propriétés technologiques et de leur capacité à améliorer les propriétés organoleptiques des aliments. En outre, la demande des consommateurs pour des produits laitiers sains et dépourvus de conservateurs chimiques est de plus en plus grande.Dans ce contexte, l\'utilisation de bactéries lactiques utilisées depuis des siècles pour la fermentation des produits laitiers semble pertinente pour améliorer la digestibilité et/ou prolonger la durée de vie des produits laitiers fermentés. L\'une des principales propriétés de ces bactéries est la production de substances antimicrobiennes telles que des bactériocines, des peptides ou des composés non protéiques de faible poids moléculaire (acides organiques, H2O2, et ainsi de suite) qui inhibent la croissance des pathogènes alimentaires et des micro-organismes d\'altération. Les bactériocines sont des peptides antimicrobiens ribosomiques produits entre autre par certaines bactéries lactiques et qui possèdent un spectre d\'inhibition étroit ciblant généralement les bactéries à Gram-positif. Les substances inhibitrices produites par BAL peuvent également inhiber les champignons qui sont en grande partie responsables pour la détérioration des aliments. Un autre propriété importante de BAL est de modifier les protéines du lait au cours du processus de fermentation. Ceci est important pour les personnes allergiques, en raison de la modification du potentiel allergénique de protéines du lait, mais également important pour la production de peptides bioactifs. Récentes découvertes ont montré que des peptides dérivés de l\'hydrolyse des protéines du lait peuvent avoir des activités biologiques, tels que des activités antihypertensives, antioxydantes, antimicrobiennes et immunomodulatrices. En résumé, les BAL sont des outils potentiels pour la production d\'aliments de haute qualité, ce qui stimule la recherche de nouvelles souches ayant des propriétés biologiques intéressantes. Ainsi, l\'objectif de cette étude était d\'isoler et de cribler de nouvelles souches de BAL possédant des activités antimicrobienne et / où protéolytique. Des souches de BAL ont ainsi été isolées de lait de vache, de buffle et de chèvre ainsi que des fromages provenant du sud-est du Brésil. À partir de 156 échantillons de lait et de fromages, 815 isolats ont été obtenus sur des géloses sélectives pour les BAL. La majorité d\'entre elles était des coques ou des bacilles à Gram-positif et négatif pour la production de catalase. La présence d\'activités antimicrobiennes a été évaluée sur des cultures pures de ces nouveaux isolats par des tests d\'antagonisme sur géloses (essai spot-on-the-lawn), et leurs activités protéolytiques on été évaluées par culture sur géloses BHI (Brian Heart Infusion) additionnée de lait écrémé. Les isolats les plus protéolytiques ont été testés par culture dans du lait écrémé suivie d\'une électrophorèse sur gel de polyacrylamide en condition dénaturante (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis SDS-PAGE). Parmi les 815 isolats testés, quatre d\'entre eux, identifiés comme Lactobacillus paraplantarum FT 259 et Streptococcus uberis (FT86, FT126 et FT190) étaient producteurs de bactériocines, tandis que quatre autres, identifiés comme Weissella confusa FT424, Weissella hellenica FT476, Leuconostocs citreum FT671 et Lactobacillus plantarum FT723 ont montré une activité antifongique lors d\'essais préliminaires. Des analyses complémentaires ont montré que la souche la plus antifongique était L. plantarum FT723 qui inhibait Penicillium expansum sur gélose MRS modifiée (de Man, Rogosa, Sharpe, sans acétate) et dans un modèle de lait fermenté. Des activités protéolytiques ont été détectées dans 205 isolats lors des tests sur géloses supplémentées en lait écrémé. Les activités protéolytiques des 123 isolats présentant les activités les plus fortes ont été confirmées en faisant migrer les surnageants de laits fermentés sur SDS-PAGE. Les capacités protéolytiques des trois isolats les plus protéolytiques Enterococcus faecalis (FT132 et FT522) et Lactobacillus paracasei FT700 ont également été testées sur des caséines et sur deux protéines du lactosérum (?-lactoglobuline et d\'?-lactalbumine), les produits de dégradation ont été visualisés par SDS-PAGE. En raison de la grande similitude entre les deux souches d\'Enterococcus, seul E. faecalis FT132 et L. paracasei FT700 ont été sélectionnés pour des études plus poussées sur leurs activités protéolytiques en utilisant des protéines du lait comme substrats lors d\'incubations dans différentes conditions suivies de l\'analyse des produits d\'hydrolyse par SDSPAGE et par chromatographie liquide haute performance (high performance liquid chromatography, HPLC). Tant E. faecalis FT132 que L. paracasei FT700 ont montré des activités protéolytiques à un pH de 6,5, à des températures comprises entre 37 à 42 ºC. Leurs activités protéolytiques étaient dues à des métallo-protéases. Pour évaluer les activités biologiques possibles des peptides dérivés de l\'action d\'E. faecalis FT132 et L. paracasei FT700 sur les protéines du lait, les surnageants des laits fermentés par ces souches ont été purifiés sur colonnes C8 puis lyophilisés. Ces lyophilisats ont ensuite été repris dans du RPMI (Roswell Park Memorial Institute medium) et ajoutés à différentes cultures primaires (monocytes et macrophages) pour évaluer leur cytotoxicité, les mécanismes de la mort celullaire qui y étaient associés, ainsi que leurs propriétés immunomodulatrices (différenciation des monocytes en macrophages et quantification de TNF-?). Les peptides générés par les deux souches testées étaient toxiques (favorisant l\'apoptose des cellules) après 72 h d\'exposition à une concentration de 10 mg/mL. Au-dessous de ces concentrations cytotoxiques, les deux surnageants de laits fermentés produits par E. faecalis FT132 et L. paracasei FT700 ont stimulé la différenciation des monocytes en macrophages, comme observé par l\'expression accrue du marqueur CD71. Cette stimulation du système immunitaire n\'était pas inflammatoire en raison de la faible production de TNF-?. Certaines BAL peuvent contribuer à la santé des consommateurs et sont utilisées comme probiotiques. Cependant, les effets biologiques des souches ainsi que leur innocuité doivent être vérifiés avant leur utilisation comme probiotiques. Contrairement aux entérocoques, plusieurs espèces de lactobacilles sont reconnues comme GRAS (Generally Recognized as Safe). Dans cette étude, il a été montré que la souche E. faecalis FT132 hébergeait trois gènes de virulence asa1, as et gelE, et qu\'elle était résistante à l\'érythromycine et à la tétracycline, ce qui signifie que cette souche ne peut pas être ajoutée à des produits alimentaires. Cependant, L. paracasei FT700 pourrait d\'avéré un candidat potentiel pour être utilisée en tant que probiotique, ainsi que L. paraplantarum FT259, la souche bacteriocinogénique décrite précédemment. Afin d\'évaluer leur capacité de survie dans le tractus digestif en vu d\'une éventuelle utilisation comme probiotiques, les souches ont été incubées dans des milieux de culture acidifiés (pH 2,0, 2,5 et 3,5), dans des sels biliaires, dans des conditions simulant les conditions gastriques et leur capacité de survie a été testée ainsi que leur sensibilité à différents antibiotiques. En outre, la bactériocine produite par L. paraplantarum FT259 a été partiellement purifiée sur colonne remplie de résine XAD-16, suivie d\'une extraction en phase solide sur colonne C18, suivie d\'une analyse par SDS-PAGE. Des PCR avec différentes amorces ciblant la plantaricine NC8, la plantaricine S et la plantaricine W ont été effectuées suivie du séquençage des amplicons afin d\'idéntifier des gènes pour la production de bactériocines. Les résultats ont montré que L. paraplantarum FT259 tolérait des expositions à un pH de 3,5, et à une concentration en sels biliaires de 0,3% pendant une durée maximum de 180 minutes. En revanche, il n\'était plus possible de détecter de cellules viables (limite de détection de la méthode : 100 UFC / mL) après une exposition à des pH de 2,0 et de 2,5 pendant 90 minutes. Lors des expériences simulant les conditions gastriques, le nombre de cellules viables de L. paraplantarum FT259 a diminué de 8,6 log UFC/mL à 4,4 log UFC/mL après 180 minutes d\'incubation. Les résultats obtenus pour la souche L. paracasei FT700 ont montré que celle-ci a survécut à presque toutes les conditions. Après 180 minutes dans un pH de 2,0 et dans le jus gastrique simulé, la population bactériennes ont respectivement diminué de 4 et de 3 log UFC/mL. Il a également été démontré que L. paraplantarum FT259 et L. paracasei FT700 étaient sensibles à la majorité des antibiotiques testés. L\'analyse par SDS-PAGE a indiqué que la bactériocine partiellement purifiée présentait une masse moléculaire d\'environ 3900 Da et que le séquençage des amplicons d\'ADN suite aux PCR a montré que la souche possédait le gène de la plantaricine NC8. L\'ensemble de ces résultats indique que les deux souches de lactobacilles isolées lors de cette étude (L. paraplantarum FT259 et L. paracasei FT700) possèdent des caractéristiques pouvant leur conférer un intérêt d\'utilisation en tant queprobiotiques. La production de bactériocines (L. paraplantarum FT259), et l\'activité protéolytique (L. paracasei FT700) pourraient également être des caractéristiques intéressantes pour des applications alimentaires. En conclusion, les BAL obtenues dans cette étude pourraient être utiles dans l\'industrie alimentaire pour la production de nouveaux produits laitiers à durée de conservation prolongée et une digestibilité accrue, ou encore pour la production de peptides bioactifs. / As bactérias láticas (BAL) têm sido utilizadas pela humanidade há séculos devido às suas propriedades tecnológicas e potencial para conferir características sensoriais agradáveis aos alimentos. Além disso, é cada vez maior a demanda por alimentos de qualidade. Neste contexto, BAL tem grande potencial para serem utilizadas na produção de alimentos. Uma das principais características destas bactérias é a produção de substâncias que inibem a multiplicação de agentes patogênicos e micro-organismos deteriorantes em alimentos, tais como ácidos orgânicos, H2O2 e bacteriocinas. Estas últimas são um peptídeos antimicrobianos produzido via ribossomo por algumas bactérias e possuem pequeno espectro inibição. As bacteriocinas podem reduzir a multiplicação de bactérias-alvo, aumentando a segurança alimentar e a vida de prateleira de alimentos. Essas substâncias inibitórias produzidas por BAL podem também inibir fungos, que são em grande parte responsáveis pela deterioração dos alimentos. Outra importante propriedade das BAL é capacidade de modificar as proteínas do leite durante o processo de fermentação. Isto é importante para indivíduos alérgicos devido à alteração de potencial alergênico das proteínas do leite, e também é importante para a produção de peptídeos bioativos. Recentemente, resultados demonstraram que os peptídeos obtidos a partir da hidrólise de proteínas do leite podem ter diferentes atividades biológicas, tais como anti-hipertensiva, antioxidante, antimicrobiana e imunomodulatória. Em resumo, BAL apresentam potencial para a produção de alimentos de alta qualidade, o que estimula a busca de novas linhagens com propriedades tecnológicas de interesse. Assim, no presente estudo, BAL com atividade antimicrobiana e / ou proteolítica foram isoladas de leite e queijo de vaca, búfala e cabra, obtidos na região sudeste do Brasil. A partir de 156 amostras de leite e queijo, foram obtidos 815 isolados em ágar seletivo para BAL. A maioria eram cocos ou bacilos Gram-positivos, e não produziam a enzima catalase. Culturas puras destes novos isolados foram avaliadas quanto a atividade antimicrobiana por testes de antagonismo em ágar (spot-on-the-lawn), e quanto a atividade proteolítica sobre proteínas do leite pelo cultivo em placas de ágar BHI (Brain Heart Infusion suplementado com leite desnatado). Os isolados com maior atividade proteolítica também foram testados pelo cultivo em leite desnatado seguido de análise do leite fermentado por eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecil sulfato de sódio (sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis SDS-PAGE). Entre os 815 isolados testados, quatro deles foram identificados como produtores de bacteriocinas, Lactobacillus paraplantarum FT259 (uma linhagem) e Streptococcus uberis (três linhagens, FT86, FT126 e FT190), enquanto quatro outros identificados como Weissella confusa FT424, W. hellenica FT476, Leuconostoc citreum FT671 e Lactobacillus plantarum FT723, os quais apresentaram atividade antifúngica em ensaios preliminares. Análises complementares mostraram que a linhagem com maior atividade antifúngica foi L. plantarum FT723, o qual inibiu Penicillium expansum em ágar MRS modificado (De Man, Rogosa, Sharpe, sem acetato) e em iv modelo de leite fermentado. No entanto, nenhuma inibição foi observada contra Yarrowia lipolytica. A atividade proteolítica foi detectada em 205 isolados por testes em ágar, sendo que 123 isolados com intensa atividade proteolítica foram submetidos a confirmação da atividade por SDS-PAGE. As atividades proteolíticas de três isolados identificados como Enterococcus faecalis (FT132 e FT522) e Lactobacillus paracasei FT700 foram confirmadas por SDS-PAGE, como visualizado pela digestão de caseínas e proteínas de soro de leite (?-lactoglobulina e ?- lactalbumina). No entanto, devido à alta semelhança entre as linhagens, apenas E. faecalis FT132 (juntamente com L. paracasei FT700) foram selecionados para os próximos estudos utilizando proteínas do leite como substratos em diferentes condições, seguidas de análises por SDS-PAGE e cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC, high-performance liquid chromatography). Ambos E. faecalis FT132 e L. paracasei FT700 apresentaram atividades proteolíticas em pH 6,5, entre 37 e 42 °C. A atividade proteolítica das linhagens foi devida à presença de metaloproteases. Em seguida, para avaliar as possíveis atividades biológicas dos peptídeos derivados da atividade proteolítica de E. faecalis FT132 e L. paracasei FT700 em proteínas do leite, o sobrenadante de leite fermentado produzido por estas linhagens foi purificado em cartucho C8 e liofilizado. Desse modo, os sobrenadantes de leite fermentado produzidos por estas linhagens foram adicionados às culturas de células (monócitos e macrófagos) para avaliar a sua citotoxicidade, os mecanismos de morte celular, propriedades imunomoduladoras (diferenciação de monócitos em macrófagos) e quantificação de TNF-? (do inglês tumor necrosis factor). Os sobrenadantes apresentaram toxicidade após 72 h de exposição a 10 mg/mL por apoptose. Abaixo das concentrações citotóxicas, ambos os sobrenadantes de leite fermentado estimularam a diferenciação de monócitos em macrófagos, como observado pelo aumento da expressão do marcador CD71. Esta estimulação imune não foi inflamatória visto que houve pouca produção de TNF-?. BAL também podem contribuir para a saúde dos consumidores quando utilizadas como probióticos. No entanto, algumas características das linhagens devem ser verificadas antes de serem utilizadas como probióticos, especialmente com relação aos fatores de virulência. Lactobacilos geralmente possuem um status GRAS (do inglês generally recognized as safe), ao contrário dos enterococos. Neste estudo, foi demonstrado que E. faecalis FT132 possuía três genes de virulência, asa1, ace e gelE, e que era resistente à eritromicina e à tetraciclina, indicando que esta linhagem não pode ser adicionada em alimentos. No entanto, L. paracasei FT700 seria um potencial candidato para ser utilizada como probiótico, bem como a linhagem bacteriocinogênica descrita anteriormente, L. paraplantarum FT259. As linhagens foram testadas quanto à sobrevivência em meio ácido (pH 2,0, 2,5 e 3,5), tolerância in vitro aos sais biliares, viabilidade em suco gástrico sintético e sensibilidade a antibióticos. Além disso, o peptídeo antimicrobiano produzido por L. paraplantarum FT259 foi parcialmente purificado em coluna preenchida com resina XAD-16, seguido de extração em fase sólida com cartucho de C18, e analisados por SDSPAGE. Reações em cadeia da polimerase (PCR, do inglês polymerase chain reaction) com primers para os genes estruturais da plantaricina NC8, plantaricina S e plantaricina W, seguidas de sequenciamento de DNA, foram realizados para detectar genes responsáveis pela produção de bacteriocinas. Os resultados mostraram que L. paraplantarum FT259 foi resistente ao pH 3,5 e a 0,3% de sais biliares por até 180 minutos, mas a população bacteriana em pH 2,0 e 2,5 após 90 minutos estava abaixo do limite de detecção do método (2 log UFC/mL). Em testes utilizando suco gástrico sintético, a população de L. paraplantarum FT259 reduziu de 8,6 log UFC/ v mL para 4,4 log UFC/mL após 180 minutos. Por outro lado, L. paracasei FT700 sobreviveu bem em quase todas as condições. Depois de 180 minutos em pH 2,0 e em suco gástrico sintético, a população bacteriana reduziu 4 e 3 log UFC/mL, respectivamente. Também foi demonstrado que L. paraplantarum FT259 e L. paracasei FT700 foram sensíveis à maioria dos antibióticos testados. A análise de SDS-PAGE indicou que a bacteriocina parcialmente purificada apresentava uma massa molecular de aproximadamente 3900 Da, e o sequenciamento de DNA do produto de amplificação obtido por PCR mostrou a presença do gene que codifica a produção da plantaricina NC8. De modo geral, os resultados indicaram que ambas as linhagens possuem potencial probiótico. Além disso, a produção de bacteriocinas (L. paraplantarum FT259) e a atividade proteolítica (L. paracasei FT700) podem ser características interessantes para aplicações em alimentos. As BAL obtidas neste estudo podem ser úteis na indústria de alimentos para a produção de novos produtos lácteos com maior vida de prateleira e aumento da digestibilidade de proteínas do leite, assim como para a produção de peptídeos bioativos comercializados como fórmulas parcialmente purificadas.

La diffusion des bactéries multirésistantes aux antibiotiques associée à une diminution du nombre de nouveaux antibiotiques représente un véritable enjeu de santé publique. De nos jours, un vieil antibiotique, la colistine, connait un récent regain d’intérêt, constituant parfois la seule alternative thérapeutique. La colistine est, alors, qualifiée d’antibiotique de « dernier recours ». Cependant, il a été constaté l’apparition de souches résistantes à la colistine. L’objectif principal de ce travail de thèse a été d’étudier le(s) mécanisme(s) de résistance à la colistine chez K. pneumoniae. Afin de mener à bien notre projet, nous nous sommes intéressés à deux aspects de la problématique. Dans un premier temps, nous avons cherché à mieux comprendre ce mécanisme, en associant une étude génotypique à une étude phénotypique. Et dans un second temps, nous avons cherché des alternatives thérapeutiques, en évaluant différentes associations antibiotiques / The global spread of multidrug-resistant Gram-negative bacteria associated with a decrease in the number of new antibiotic therapies is a major public health issue. Colistin is often referred to as the "last-resort" antibiotic, used as the only therapeutic alternative for MDR Gram-negative bacteria infection, which explains the current renewal of interest in this antimicrobial agent. However, the appearance of colistin-resistant bacterial strains has been already observed. The main objective of this PhD work was to study the colistin resistance mechanism (s) in K. pneumoniae by looking at two aspects of the problem. Firstly, we sought to better understand this mechanism, associating a genotypic study with a phenotypic study. Next, we looked for therapeutic alternatives, by evaluating different antibiotic combinations

Depuis 1960, la grande majorité des variétés de blé sont des variétés naines, présentant de nombreuses différences par rapport aux variétés plus anciennes. Elles sont capables de mieux utiliser les apports d’engrais synthétiques et présentent des rendements supérieurs. Cependant, peu d’intérêt a été porté au système racinaire et aux impacts sur les interactions avec les bactéries du sol. Pourtant, la main de l’Homme pourrait avoir rendu caduque les effets bénéfiques apportés par les PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria) aux plantes, et les traits génétiques permettant les interactions entre plante et PGPR pourraient ne pas avoir été sélectionnés chez les génotypes de variétés modernes. L’hypothèse dans cette thèse est que les PGPR intéragiraient mieux avec des variétés anciennes qu’avec des variétés modernes. Nous avions à disposition 199 accessions de blé tendre représentatif des variétés de blés sélectionnées depuis le milieu du 19ème siècle. Par une approche de criblage, nous avons évalué in vitro la capacité de deux PGPR, Pseudomonas kilonensis F113 et Azospirillum brasilense Sp245, à coloniser les racines de ces génotypes de blé, et a y exprimer des gènes impliqués dans des fonctions bénéfiques pour la croissance de la plante. Par la suite nous avons testé si les résultats obtenus in vitro se traduisaient en une amélioration de la croissance du blé par une approche d’inoculation réalisée en sol. Enfin, une étude aux champs a été menée pour analyser l’impact des génotypes de blé sur les bactéries indigènes du sol. Ces travaux ont montré (1) une meilleure aptitude de F113 et Sp245 à interagir avec les génotypes anciens in vitro, (2) de meilleurs effets phytostimulateurs suite à l’inoculation de PGPR chez les génotypes de blés ayant présenté de bons résultats lors du criblage et (3) un impact du génotype de blé sur les bactéries indigènes associées à ses racines, notamment entre génotypes anciens et génotypes modernes / Since 1960, the great majority of wheat modern varieties are dwarf varieties (because of Rht genes), showing multiple differences compared to ancient varieties. Thus, they are more able to use synthetic fertilizers used in huge quantities since the mid-20th and show higher yield. However, few studies have been made regarding the impact of modern breeding on root systems and on interactions of crops with soil bacteria. Yet, these evolutions in agricultural practises could have reduced the beneficial effects brought by PGPR (Plant Growth-Promoting Rhizobacteria), and the genetic traits involved in these interactions between plant and PGPR may have not been selected in modern genotypes. Our work hypothesis in this thesis is that PGPR are more able to interact with ancient genotypes than modern ones. To test this hypothesis, we had 199 bread wheat accessions representative of the wheat varieties selected since the mid-19th. Using an in vitro screening approach, we assessed the abilities of two PGPR model strains, Pseudomonas kilonensis F113 and Azospirillum brasilense Sp245, to colonize the roots of these genotypes and to express genes involved in plant-beneficial functions. Then, we assessed whether the results obtained in vitro had a biological significance by measuring the amelioration of growth performance of wheat genotypes using a soil pot inoculation experiment under greenhouse. Finally, an in-field study was performed to analyse the impact of wheat genotypes on the indigenous bacterial communities. This work showed (1) a better ability of F113 and Sp245 to interact with ancient wheat genotypes than modern ones, (2) better growth performance improvements in wheat genotypes that showed good results during screening experiments and (3) an impact of wheat genotypes on indigenous bacterial communities, notably between ancient and modern genotypes

Les moisissures sont responsables de contaminations sur les produits de BVP et induisent des pertes économiques conséquentes. Dans ce contexte, les cultures bioprotectrices représentent un intérêt croissant comme alternative aux conservateurs chimiques. L’objectif de la première partie de cette étude a été d’évaluer in vitro et in situ l’activité antifongique de bactéries lactiques et propioniques contre cinq moisissures contaminants isolées de produits de BVP. Les bactéries les plus actives pendant les tests in vitro ont été testées in situ par pulvérisation de surface. Sur le milieu WFH, les isolats bactériens les plus actifs correspondent aux espèces Lactobacillus plantarum, reuteri et au groupe buchneri. Les souches plus actives après ces tests ont été testées par inclusion dans la recette du pain au lait et différentes souches ont montré un effet retard en particulier la souche Leuconostoccitreum qui semble retarder la croissance de Penicillium corylophilum après 10 jours. Dans la deuxième partie de cette étude, les surnageants de cultures actifs sont analysés pour identifier les composés antifongiques grâce à différentes traitements et différentes méthode telle que l’HPLC et la spectrométrie de masse. Les résultats suggèrent que les acides organiques jouent un rôle prépondérant dans l’activité antifongique et ont montré que les composés antifongiques retrouvés correspondaient aux acides lactique, acétique et propionique, à l’éthanol et au peroxyde d’hydrogène, ainsi que d’autres composés mais à plus faible échelle. Sur ces résultats, différentes combinaisons des composés identifiés ont été testées pour leur effet sur la germination et la croissance radiale de P. corylophilum et E. repens. Certaines de ces combinaisons ont montré les mêmes effets que le surnageant actif ce qui confirme l’implication des molécules identifiées dans l’activité. Les résultats suggèrent que l’acide acétique est responsable de la totalité de l’activité antifongique observée sur P. corylophilum et qu’il joue un rôle important dans l’inhibition de E. repens. La souche bactérienne sélectionnée pourrait représenter une possibilité de culture bioprotectrice pour les produits de BVP. / Molds are responsible for the spoilage of bakery products and thus, cause substantial economic losses. In this context, bioprotective cultures represent a growing interest as an alternative to chemical preservatives. The aims of the first part of this study was to evaluate the in vitro and in situ antifungal activity of lactic acid bacteria (LAB) and propionibacteria against five moulds species isolated from bakery products. The most inhibitorybacteria found during the in vitro test were evaluated in situ after surface spraying. In WFH medium, the most active LAB isolates belonged to the Lactobacillus plantarum, reuteri and buchneri groups. The most active strains were added directly during “pains au lait” preparation and differents strains present delayed effect in particular a strain of Leuconostoc citreum which seems to delay the growth of Penicillium corylophilum after 10 days. In the second part, supernatants were analyzed to identified and quantified antifungal compounds by different treatments and different methods like HPLC, mass spectrometry. The results suggested that organic acids played the most important role in the antifungal activity and show that the main antifungal compounds corresponded to lactic, acetic and propionic acids, ethanol and hydrogen peroxide, as well as other compounds present at low levels. Based on these results, various combinations of the identified compounds were used to evaluate their effect on spore germination and fungal growth of P. corylophilum and E. repens. Some combinations presented the same activity than the bacterial culture supernatant thus confirming the involvement of the molecules in the antifungal activity. The results suggested that acetic acid was responsible of the entire antifungal activity against Penicillium corylophilum and played an important role in Eurotium repens inhibition. The selected bacteria provide a future prospect for use as bioprotective cultures on bakery products.

Ces travaux de thèse avaient pour objectifs (i) d’étudier le comportement du fer et du nickel au cours de la biominéralisation de sulfures de fer par des bactéries sulfato-réductrices et (ii) de tenter une première estimation de l’influence de l’exploitation minière sur les communautés microbiennes des sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie. Pour atteindre ces objectifs, des expériences d’incubation ont été conduites en anoxie avec une espèce unique de bactérie (thio)sulfato-réductrice (i.e. Desulfovibrio capillatus) et avec un consortium de bactéries sulfato-réductrices natives de sédiments de mangrove de Nouvelle-Calédonie. Ces expériences ont été réalisées avec différentes sources de Fe(III) (i.e. goethite, ferrihydrite et citrate-ferrique) et en présence de nickel structural ou en solution. Les résultats montrent que l’activité bactérienne sulfato-réductrice (qu’elle soit synergique ou issue d’une espèce unique) conduit, dans toutes les expériences, à la formation principale de mackinawite (FeS). Ce sulfure de fer précipite sous forme de cristallites nanométriques et dont la cristallinité augmente avec la durée d’incubation. Lorsque le nickel est présent en solution, la quasi-totalité de cet élément peut se substituer au fer (i.e. substitution 4% molaire) dans la structure de la mackinawite. Ainsi, la formation d’une faible proportion de mackinawite permet de fixer la quasi-totalité du nickel initialement en solution (e.g. ratio FeS:Ni de 1). Ce mécanisme semble stable sur le long terme (pas de relargage de nickel en solution) et il accélère la croissance cristalline de la mackinawite, ce qui engendre une stabilité accrue de ce minéral. Ces résultats soulignent le rôle efficace des bactéries sulfato-réductrices dans la formation des sulfures de fer de type mackinawite et dans le piégeage du nickel, suggérant une stabilisation de cet élément dans les sédiments de mangrove et la limitation de sa biodisponibilité. Ceci pourrait expliquer les résultats de l’étude comparative des consortiums bactériens autochtones qui ne permet pas de déceler d’impact de l’activité minière sur les communautés bactériennes sulfato-réductrices présentes en Nouvelle-Calédonie. / The aims of the present work were (i) to study the behavior of iron and nickel in the biomineralization of iron sulfides by (thio)sulfate-reducing bacteria and (ii) to estimate the influence of open-cut mining activities on microbial communities development in mangrove sediments in New Caledonia. To achieve these objectives, incubation experiments were conducted under anoxic conditions with the (thio)sulfate-reducing bacteria (i.e. Desulfovibrio capillatus) and a consortium of sulfate-reducing bacteria native mangrove sediments of New Caledonia. These experiments were carried out with different Fe(III) precursors (i.e. goethite, ferrihydrite and ferric citrate) and in the presence of structural or soluble nickel. The results show that the sulfate-reducing bacterial activity leads, in all experiments, to the formation of mackinawite (FeS). This iron sulfide precipitates as nanosized crystallites that increase in size with incubation time. When nickel is present in solution, the total soluble amount can be substituted to iron (i.e. replacing 4 mol%) in the structure of mackinawite. Thus, the formation of a small proportion of mackinawite scavenged total soluble amount of nickel initially present in solution (e.g. FeS:Ni ratio of 1). This sequestration mechanism appears to be stable over time (no nickel was released in solution) and accelerates the crystal growth of mackinawite, leading to the stabilization of this mineral. These results highlight the effective role of sulfate-reducing bacteria in the biomineralization of iron sulfides such as mackinawite and in the sequestration of nickel, suggesting a stabilization of this element in mangrove sediments and limitation of its bioavailability. These results could explain the absence of negative impact of open-cut mining activities on the sulfate-reducing bacterial communities present in New Caledonia.

AU COURS DE LA THESE, L'ETUDE DU TRANSCRIPTOME DE SOUCHES GARDEL ET SENEGAL VIRULENTES ET ATTENUEES D'E. RUMINANTIUMA ETE REALISEE. UNE ANALYSE DU TRANSCRIPTOME A DIFFERENTS STADES DE DEVELOPPEMENT, A D'ABORD ETE EFFECTUEE POUR LA SOUCHE GARDEL VIRULENTE. AU STADE CORPS RETICULE (FORME INTRACELLULAIRE NON INFECTIEUSE), UNE SUREXPRESSION DES GENES CODANT POUR DES PROTEINES IMPLIQUEES DANS LE METABOLISME, LE TRANSPORT ET L'ECHANGE DE NUTRIMENTS ET DANS LA RESISTANCE AU STRESS OXYDATIF ETAIT OBSERVEE. IL SEMBLERAIT QUEE. RUMINANTIUMMETTE EN PLACE UN PANEL DE MECANISMES POUR SA SURVIE ET SON DEVELOPPEMENT A L'INTERIEUR DE LA CELLULE HOTE. AU STADE CORPS ELEMENTAIRE (FORME EXTRACELLULAlRE INFECTIEUSE), LE GENE DKSA CODANT POUR UN FACTEUR DE TRANSCRIPTION ETAIT SUREXPRIME. CE GENE A ETE MONTRE COMME ETANT IMPLIQUE DANS LA REGULATION DE FACTEURS DE VIRULENCE. IL SEMBLERAIT . DONC, QU'AU STADE CORPS ELEMENTAIRE, IL Y AIT UNE INDUCTION DE MECANISMES DE VIRULENCE. LA COMPARAISON DE L'EXPRESSION DES GENES AU STADE CORPS ELEMENTAIRE ENTRE SOUCHES VIRULENTES ET ATTENUEES A AUSSI ETE EFFECTUEE. NOS RESULTATS ONT MONTRE UNE MODIFICATION IMPORTANTE DE LA MEMBRANE POUR LES SOUCHES VIRULENTES ET ATTENUEES. POUR LES SOUCHES ATTENUEES, IL A ETE MONTRE UNE SUREXPRESSION DES GENES IMPLIQUES DANS LA BIOGENESE MEMBRANAlRE ET UNE SOUS-EXPRESSION·DES PROTEINES DE LA FAMILLE MULTIGENIQUE MAP. CES RESULTATS SUGGERENT QUE LES PROTEINES MAP JOUENT UN ROLE DE LEURRE VIS-A-VIS DE LA REPONSE IMMUNITAIRE PROTECTRICE. DES PROTEINES MEMBRANAlRES HYPOTHETIQUES SONT SUREXPRIMEES A LA FOIS CHEZ LES SOUCHES VIRULENTES ET ATTENUEES. CERTAINES D'ENTRE ELLES SUREXPRIMEES CHEZ LES SOUCHES ATTENUEES SEMBLENT ETRE DE BONS CANDIDATS VACCINAUX ET DEVRAIENT ETRE ETUDIEES / Transcriptomic study of gardel and senegal both virulent and attenuated e. ruminantium strains was conducted during my phd. an analysis of transcriptome at different stages of development has been first conducted for virulent gardel strain. at reticulate body stage (intracellular form non-infectious), over-expression of genes coding for proteins involved in metabolism, transport and exchange of nutrients and resistance to oxidative stress was observed. at this stage of development, e. ruminantium seems to activate mechanisms for its survival and development within the host cell. at elementary body stage, dksa the gene encoding for a transcription factor was over-expressed. this gene has been shown to be involved in the regulation of virulence factors. it seems, therefore, at the elementary body stage, e. ruminantium induces its virulence factors. secondly, we compare the transcriptome of elementary body between virulent and attenuated strains. our results showed an important membrane modification of attenuated and virulent strains. for attenuated strains, we observed an over-expression of genes involved in membrane biogenesis and a diminution of expression of map multigenic family. it seems that map proteins subvert the protective immune response. hypothetical membrane proteins are over-expressed in both virulent and attenuated strains. some over-expressed proteins in attenuated strains seem to be good vaccine candidates and willstudied.

Suite à la découverte des antibiotiques, les succès thérapeutiques ont laissé présager un avenir où les maladies infectieuses d’origine bactérienne seraient éradiquées. Cependant, en moins d’un siècle, l’utilisation massive des antibiotiques à large spectre a conduit à l’émergence de résistances réduisant ainsi les options thérapeutiques. Mon projet de recherche vise à comprendre les altérations métaboliques et morphologiques bactériennes induites précocement par les antibiotiques et à contribuer au développement de tests diagnostiques rapides et fiables pour favoriser la mise en place d’antibiothérapies plus ciblées. Grâce au suivi des modifications des divers paramètres métaboliques et morphologiques des bactéries après traitement aux antibiotiques, nous avons montré l’intérêt des marqueurs de viabilité tels que le DiBAC4(3), le TOPRO®-3 ou encore l’Alexa FluorTM Hydrazide pour la détection rapide (<3h) de la sensibilité des bactéries aux antibiotiques. Nous avons notamment montré, pour la première fois, que la carbonylation des protéines, qui est induite dans des conditions de stress oxydatif et de vieillissement cellulaire, est un marqueur précoce universel de la sensibilité aux antibiotiques bactéricides. Suite à cette première partie de l’étude, nous avons souhaité comprendre les mécanismes mis en jeu par les bactéries en réponse au stress létal causé pas les antibiotiques. Au cours de nos expériences, il a été observé que lorsque les conditions ne permettaient plus la survie de l’organisme, un signal de fluorescence intrinsèquement lié à la bactérie permettait de prédire l’issue fatale après seulement 2 heures d’incubation avec l’antibiotique. En effet, suite à un traitement avec un antibiotique bactéricide ciblant la synthèse du peptidoglycane bactérien (ampicilline), nous avons observé une fluorescence maximale des cellules à la dose d’antibiotique correspondant à la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI). L’augmentation de la fluorescence des cellules bactériennes a aussi été observé lors du traitement létal avec un agent biocide (hypochlorite de sodium). Cependant, ce phénomène n’est plus observable avec des antibiotiques bactériostatiques ou bactéricides qui inhibent la synthèse protéique indiquant l’importance d’un métabolisme bactérien actif. Les corrélations de propriétés spectrales nous ont permis de suspecter les molécules de flavines comme étant responsables du phénomène d’autofluorescence observé. De plus, nous avons montré une suractivation de la voie de biosynthèse des cofacteurs de type flavines et des flavoprotéines en présence d’ampicilline. Finalement, nous avons effectué des expériences de tri et de survie cellulaire de populations bactériennes traitées à l’ampicilline. Nos résultats ont montré que les cellules très fluorescentes ont une survie moyenne 5 fois supérieure aux cellules peu fluorescentes. Ceci suggère que le signal de fluorescence observé est une réponse cellulaire médiée par les composés flavonoïdes pour tenter de survivre au traitement antibiotique. Des travaux exploratoires suggèrent que le phénomène étudié chez les bactéries est conservé chez les levures et chez les cellules humaines. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension de la physiologie bactérienne, l’étude de la réponse bactérienne face à un stress exogène et la surveillance rapide de la viabilité des cellules. / Following the discovery of antibiotics, the therapeutic successes foreshadowed a future where infectious diseases of bacterial origin would be eradicated. However, in less than a century, the massive use of broad-spectrum antibiotics led to the emergence of resistance thus reducing therapeutic options. My research project aims to understand early bacterial metabolic and morphological changes induced by antibiotics and to contribute to the development of rapid and reliable diagnostic tests to promote the implementation of more targeted antibiotic treatments. By monitoring changes in various metabolic and morphological parameters of bacteria after antibiotic treatment, we have shown the interest of viability markers such as DiBAC4(3), TOPRO®-3 or Alexa FluorTM Hydrazide for rapid detection (<3h) of bacterial susceptibility to antibiotics. In particular, we have shown for the first time that protein carbonylation, which is induced under conditions of oxidative stress and cellular aging, is a universal early marker of bactericidal antibiotic susceptibility. Following this first part of the study, we wanted to understand the mechanisms involved in bacterial response to lethal stress caused by antibiotics. Following this first part of the study, we wanted to understand the bacterial mechanisms involved in response to lethal stress caused by antibiotics. In our experiments, it was observed that when the conditions no longer allowed the organism survival, a fluorescence signal intrinsically linked to the bacterium allowed to predict the fatal outcome after only 2 hours of incubation. Indeed, following a treatment with a bactericidal antibiotic targeting the synthesis of bacterial peptidoglycan (ampicillin), we observed a maximum fluorescence of the cells at the dose of antibiotic corresponding to the Minimum Inhibitory Concentration (MIC). The fluorescence increase of bacterial cells was also observed during the lethal treatment with a biocidal agent (sodium hypochlorite). However, this phenomenon is no longer observable with bacteriostatic or bactericidal antibiotics that inhibit protein synthesis indicating active bacterial metabolism importance. The correlations of spectral properties allowed us to suspect the flavin molecules as responsible for the observed autofluorescence phenomenon. In addition, we showed an overactivation of the biosynthesis pathway of flavin-type cofactors and flavoproteins occurring during ampicillin treatment. Finally, we performed cell sorting and cell survival experiments of ampicillin-treated bacterial populations. Our results showed that highly fluorescent cells have an average survival 5 times higher than low fluorescent cells. This suggests that the fluorescence signal observed is a cellular response mediated by flavonoid compounds in an attempt to survive to antibiotic treatment. Exploratory work suggests that the phenomenon studied in bacteria is conserved among yeasts and human cells. These results open new perspectives in bacterial physiology understanding, the study of bacterial response to exogenous stress and the rapid monitoring of cell viability.