Le rôle des bactéries est primordial partout dans la nature. Pensons seulement aux impacts qu’elles ont sur la santé humaine. Pour être en mesure de jouer leur rôle dans l’environnement, plusieurs bactéries ont besoin de se déplacer vers des sites spécifiques. Le moyen de locomotion le plus commun est le moteur flagellaire. Pour se propulser, les bactéries flagellaires possèdent un (ou des) moteur rotatif ancré dans leur membrane. Ce moteur transmet sa rotation à un long filament en forme d’hélice se trouvant à l’extérieur de la bactérie via un joint universel se nommant le crochet. Ce moteur fut l’un des premiers moteurs rotatifs biologiques à être découvert. De plus, un grand nombre d’études ont montré l’importance du moteur flagellaire durant les infections bactériennes. Ainsi, il a fait l’objet d’études intensives depuis plusieurs décennies. La vaste majorité de ces études ont toutefois été effectuées dans des milieux simples qui ne représentent qu’une infime partie des milieux biologiques naturels. En effet, les bactéries se déplacent souvent dans des milieux anisotropes, où les propriétés physiques dépendent de la direction. Par exemple, le mucus se trouvant un peu partout dans le corps humain, le liquide synovial qui lubrifie nos articulations, la peau et les biofilms sont tous des milieux qui peuvent être anisotropes et où les bactéries prolifèrent. Cette thèse par article présente les résultats obtenus durant notre étude de la motilité des bactéries flagellaires en milieux anisotropes. Puisque les milieux biologiques naturels sont difficiles à manipuler en laboratoire, un milieu synthétique a d’abord été choisi afin de mimer les propriétés de ces milieux. Deux types de milieux anisotropes ont été testés, les cristaux liquides (LCs) 5CB et DSCG. Seul le LC DSCG a été retenu puisque les bactéries ne peuvent pas pénétrer le LC 5CB. Pour créer le LC DSCG, des molécules sont dissoutes dans l’eau. À faible concentration, le milieu est isotrope, et à haute concentration le milieu devient anisotrope (un LC). Dans un premier temps, la vitesse et l’orientation du corps des bactéries ont été observées en faisant passer le LC DSCG de la phase isotrope à la phase anisotrope. Ces mesures ont d’abord confirmé que, dans un milieu anisotrope, les bactéries se déplacent en ligne droite et renverse leur mouvement plutôt que d’effectuer une marche aléatoire comme dans des milieux isotropes. L’observation du comportement bactérien a également démontré la présence d’une zone de prétransition dans les solutions isotropes de DSCG. À ces concentrations de DSCG, les molécules commencent à s’organiser sous forme de bâtonnets. Cette organisation explique pourquoi les bactéries deviennent collantes (via la force de déplétion), et pourquoi la viscosité augmente dans la zone de prétransition. Pour comprendre comment les bactéries peuvent renverser leur mouvement dans des milieux anisotropes, les filaments ont également été étudiés. Ces observations ont démontré que, durant le change de direction de la bactérie, le crochet n’est plus capable de jouer son rôle de joint universel et se bloque momentanément, permettant ainsi de changer l’orientation du filament. Cette réorientation du filament permet non seulement le renversement du mouvement de la bactérie dans le LC, mais également la réorientation du filament dans d’autres milieux comme dans des milieux poreux. Ce constat agrémenté de résultats provenant de la littérature nous permet de croire que le crochet bloqué est un phénomène universel se produisant dans tous les milieux. Pour terminer, la microscopie à champ sombre par guidage de lumière ainsi qu’une technique de microrhéologie seront exposées. Ces techniques ont été utilisées durant la caractérisation de la zone de prétransition. Tout au long de ce travail, il sera également souligné en quoi notre approche multidisciplinaire a été bénéfique. / Bacteria play an essential role in nature. We can simply think of their impact on human health to convince ourselves. To be able to play their role in the environment, bacteria often need to reach specific locations. The most common bacterial locomotion system is the flagellar motor. To propel themselves, the flagellated bacteria possess one (or few) rotary motor anchored in their membrane. This motor transfers its rotation to a long helical filament located outside the bacterium thanks to a universal joint called the hook. This motor was the first biological rotary motor discovered. Furthermore, several studies have shown the importance of the flagellar motor during bacterial infections. Thus, it has been the subject of intensive studies for several decades. Most of these studies, however, have been conducted in simple media that represent only a small fraction of natural biological environment. Indeed, bacteria often move in anisotropic media, where the physical properties depend on the direction. For example, mucus found throughout the human body, synovial fluid that lubricates our joints, skin and biofilms are all media that can be anisotropic and where bacteria proliferate. This thesis by article presents our study of the motility of flagellar bacteria in anisotropic media. Since natural biological media are difficult to manipulate in the laboratory, a synthetic medium was first chosen to mimic the properties of natural anisotropic media. Two types of anisotropic media were tested, the liquid crystals (LCs) 5CB and DSCG. Only the LC DSCG has been used since bacteria cannot penetrate the LC 5CB. To create the DSCG LC, molecules of disodium cromoglycate (DSCG) are dissolved in a water-based solvent. At low concentration, the medium is isotropic, and at high concentration the medium becomes anisotropic (a LC). First, the speed and the orientation of the body of the bacteria were recorded while changing the concentration of the DSCG LC to bring the solution from the isotropic phase to the anisotropic phase. These measurements first confirmed that, in an anisotropic environment, the bacteria move in a straight line and reverse their movement rather than performing a random walk as in isotropic media. Observation of bacterial behavior also demonstrated the presence of a pretransition zone in isotropic solutions of DSCG. At these concentrations of DSCG, the molecules begin to organize into rods. This organization explains why bacteria become sticky (via the depletion force), and why the viscosity increases in the pretransition zone. To understand how bacteria can reverse their motion in anisotropic media, the filaments have also been studied. These observations have shown that during the change of direction of the bacteria, the hook is no longer a universal joint and momentarily locks, thus changing the orientation of the filament. This reorientation of the filament does not only reverse the movement of the bacteria in the LC, but it also triggers the reorientation of the filament in other media as in porous media. This observation, supplemented by results from literature, suggests that the blocked hook is a universal phenomenon occurring in all environments. Finally, light-guided dark field microscopy and a microrheological technique will be exposed. These techniques were used during the characterization of the pretransition zone. Throughout this work, it will also be highlighted how our multidisciplinary approach has been beneficial.

Plusieurs bactéries possèdent des flagelles qui leur permettent de se déplacer dans leur milieu. Ce sont des moteurs rotatifs, imbriqués dans la membrane, qui font tourner des filaments hélicoïdaux à plus de 100 Hz et qui propulsent les bactéries dans leur environnement. La source d'énergie des moteurs flagellaire est le gradient électrochimique de protons de part et d'autre de la membrane dont l'énergie potentielle est convertie en mouvement de rotation. Plusieurs facteurs influencent la rotation des filaments, notamment la concentration de certaines protéines dans le cytoplasme des bactéries. Afin d'étudier plus facilement les caractéristiques du moteur flagellaire, un système in vitro a été développé pour contrôler les conditions de rotation des moteurs flagellaires d'Escherichia coli. Pour ce faire, les bactéries ont été coincées individuellement à l'extrémité d'une micropipette de verre. Une partie de la membrane de la bactérie située à l'intérieur de la micropipette a été perforée en utilisant l'ablation laser femtoseconde. La perméabilisation de la membrane de la bactérie a permis le contrôle externe de la source d'énergie du moteur et le remplacement du contenu cytoplasmique par le liquide à l'intérieur de la micropipette. Avec le contrôle des conditions de rotation du moteur, il a été possible d'observer la relation linéaire entre la vitesse de rotation des moteurs et la différence de potentiel électrique appliquée. La rotation des filaments des bactéries a également été soutenue pendant plus de 30 minutes grâce à un gradient de pH. La diffusion de protéines fluorescentes à l'intérieur des bactéries a permis de confirmer que notre technique pourrait être utiliser pour étudier l'effet de certaines protéines, notamment CheY-P, sur la rotation des moteurs. Enfin, notre technique a également permis des observations préliminaires de la dynamique d'entrée et de sortie des unités génératrices du couple dans les moteurs. Ce nouvel outil pour l'étude du moteur flagellaire devrait permettre d'approfondir notre compréhension du mécanisme de la génération du couple dans le moteur en fournissant des données permettant de mettre des contraintes aux modèles théoriques.

De nombreuses bactéries se déplacent en faisant tourner des flagelles rigides ancrés dans leur membrane. À la base de chaque flagelle se trouve un moteur rotatif de quelques dizaines de nanometres de diamètre : le moteur flagellaire bactérien. L'objectif de ces travaux de maîtrise fut de développer de nouveaux marqueurs pour visualiser et mesurer la rotation du moteur flagellaire en l'affectant le moins possible. Trois types de nanoparticules furent étudiés : les points quantiques, les nanoparticules d'or et les nanoparticules Janus. L'intensité du signal et la résistance au photoblanchiment des points quantiques furent comparées à celles de fluorophores "Alexa Fluor". Aussi, différentes méthodes pour attacher spécifiquement ces nanoparticules aux flagelles furent testées. L'utilisation d'anticorps s'est révélée préférable à l'emploi de micelles de phospholipides ou de liens maléimide-cystéine. Après avoir développé la méthode de marquage sur les filaments des bactéries, nous avons ensuite réussi à visualiser des crochets, une structure beaucoup plus petite (55 nm de long). Une première tentative pour mesurer la vitesse de rotation de crochets s'est révélée infructueuse mais informative.