. / We report the work we lead on magneto tactic bacteria, from the point of view of active matter. The ability of this bacterium to swim at 100µm/s directed by the magnetic field makes it a good candidate to study driven active matter. Indeed, in this configuration, the self-propelled system is not dragged by an external force, and its directed motion comes from its biased orientation. We choose the strain MC-1 for our study, for the robustness of its individual behavior and its swimming speed. We studied the individual behavior, confirming previous results where the bacteria passively aligns on the magnetic field being disoriented solely by the magnetic field, but also succeeded in triggering activity in their reorientation, suspending it in different chemical environments, or directing them against a solid interface, where this bacteria could tumble. This tumbling behavior, very common amongst non-magnetic bacteria, was not reported for Mangetotactic bacteria. These new results leaded us to develop a model of Run and Tumble under a magnetic field. We studied their behavior when densely concentrated in a micro-channel, in jammed configuration, using standard microfluidics tools. We observed their motion in hour glass shaped micro-channels, without any flow, and characterized the chronology of the jamming process. We investigated the interaction of their swim with a shear, in a counter flow experiments, where MC-1 would be directed against a Poiseuille flow. Due to equilibrium between the magnetic torque and the hydrodynamic shear, bacteria would focus instantly in the middle of the channel. We studied this phenomenon theoretically, and checked our model with the experiments. We discovered a instability of a new kind in the same configuration, for high magnetic fields. Indeed, beyond a threshold the focused suspension would become wavy to end up in segregated droplets of bacteria. We characterized experimentally this phenomenon which reminds us of Rayleigh-Plateau and Kelvin-Helmholtz instabilities, varying the flow rate, the Magnetic field and the density of the suspension. Recirculation in the droplets is observed and explained. We interpret these convection droplets as the source of the instability of the focused suspension

Les bactéries magnétotactiques synthétisent des organites spécialisés appelés magnétosomes. Ils sont composés d'un cristal magnétique entouré d'une membrane et de protéines spécifiques. Arrangés en chaîne dans la bactérie, ils orientent la bactérie dans le champ magnétique, ce qui simplifierait sa recherche d’environnements microaérophiles. Dans le génome de toutes les souches magnétotactiques séquencées, l'îlot génomique de magnétotaxie contient les gènes impliqués dans la formation des magnétosomes. Nous avons procédé à l’annotation du génome de la souche magnétotactique marine QH-2 et montré que la région du génome codant les gènes de la magnétotaxie n'est, dans ce cas, pas définie comme un îlot génomique, bien qu’elle ait été acquise par transfert latéral de gènes. Dans le génome de M. magneticum AMB-1, nous avons identifié un nouvel îlot génomique de petite taille que nous avons appelé l'îlet de magnétotaxie portant 7 gènes homologues à des gènes liés à la synthèse des magnétosomes. Pour répondre à la question de la fonction biologique de cet îlet génomique, nous avons examiné le rôle de l'un des sept gènes, mamK-like. MamK-like exprimée dans E. coli forme des filaments, comme observé pour MamK. La polymérisation in vitro des deux protéines est également comparable, mais présente des différences structurales. En outre, nous démontrons que mamK-like est transcrite dans AMB-1 de type sauvage et dans le mutant ΔmamK. Par immuno-marquage, nous montrons la présence d'un filament dans le mutant ΔmamK, probablement dû à MamK-like. Nous émettons l'hypothèse que ce filament contribue à maintenir l’organisation en chaîne des magnétosomes dans la souche mutante. / Magnetotactic bacteria synthesise specialised organelles called magnetosomes. They are composed of a magnetic crystal surrounded by a lipid bilayer and specific proteins. Arranged in chains, they orient magnetotactic bacteria in the geomagnetic field, thereby simplifying their search for their microaerophilic environments. In each sequenced magnetotactic strain, the magnetotaxis genomic island contains the genes involved in magnetosomes formation. Our annotation of the newly sequenced genome of the magnetotactic strain QH-2 shows that the region coding the magnetotaxis genes is not a genomic island, though it has been acquired by lateral genes transfer. In the genome of M. magneticum AMB-1 we identified a new, small genomic island we termed the magnetotaxis islet, encoding 7 genes homologous to genes related to the magnetosomes synthesis. To assess the question of the biological function of this genomic islet, we further investigated the role of one of the seven genes, mamK-like. Filaments were observed in E. coli cells expressing MamK-like-Venus fusion by fluorescence microscopy. In vitro polymerization of both isoforms is comparable, though some differences are present at the structural level. In addition, we demonstrate that mamK-like is transcribed in AMB-1 wild-type and ΔmamK mutant cells. Immunolabelling assay using an anti-MamK antibody reveals the presence of a filament in the ΔmamK mutant. We hypothesise that this filament is due to MamK-like and that it helps maintaining a chain-like organisation of magnetosomes in the mutant strain.

Les bactéries magnétotactiques (MTB) représentent un groupe de bactéries diverses sur le plan phylogénétique, morphologique et physiologique et elles ont la capacité de s'orienter grâce au champ géomagnétique terrestre afin de trouver leurs conditions optimales de développement. Ce comportement remarquable est appelé le magnétotactisme. Les connaissances actuelles de la formation des magnétosomes et du magnétotactisme sont basées principalement sur l'étude des souches magnetospirilla d'eau douce. Au cours de cette thèse, j'ai participé à l'annotation et réalisé des analyses génomiques, physiologiques et génétiques des deux MTB marines. Mes résultats ont révélé un mécanisme d'adaptation de la souche magnetospirillum QH-2 à l'habitat intertidal et des voies métaboliques (autotrophie,- fixation de l'azote, transport du fer) ainsi que des mécanismes de détection environnementaux distincts des magnétospirilla d'eau douce. La souche marine ovoïde MO-1 possède un génome composé de fortes proportions de gènes avec des origines possibles de gamma-(23,6 %), delta-(16,8 %), alpha-(13,2 %) et bêta- (9,1 %) protéobactéries. Cette constatation suggère que MO-1 est un ancêtre fossile ou une nouvelle sous-classe des Proteobacteria. J'ai caractérisé le comportement magnétoctatique de la souche MO-1 et montré que le magnétotactisme est bénéfique et même essentiel pour la croissance des MTB. Par ailleurs, j'ai caractérisé des glycoprotéines essentielles pour la structure et la fonction de l'appareil flagellaire de MO-1. L'ensemble de ces résultats contribue à notre compréhension de la diversité et l'évolution des MTB, ainsi que l'importance environnementale du magnétotactisme. / Magnetotactic bacteria (MTB) consist of a phylogenetically, morphologically and physiologically diverse group of gram-negative bacteria. They have the unique capacity of synthesizing magnetic crystal enveloped with membrane, referred to as magnetosomes, which allow the bacteria swimming along magnetic fields lines (magnetotaxis) to seek optimal oxygen concentration with maximal efficiency. Current knowledge of magnetosome formation and magnetotaxis mainly steams from the study of freshwater magnetospirillum strains. In this thesis, I participated to the expert annotation and performed genomic, physiological and genetic analyses of two marine MTB. I revealed the adaptation of marine magnetospirillum strain QH-2 to the intertidal habitat and metabolic pathways (autotrophy, N2-fixation, iron-transport) and environmental sensing mechanism distinct from those of the freshwater magnetospirilla. In addition, the genome of the marine ovoid strain MO-1 is composed of high proportions of genes with possible origins of gamma- (23.6%), delta- (16.8%), alpha- (13.2%) and beta- (9.1%) proteobacteria. This finding suggests that MO-1 is either a fossil ancestor or a new subclass of the Proteobacteria. I characterized the magnetotactic behavior of the strain MO-1 and showed that magnetotaxis is beneficial and even essential for the growth of MTB. In addition, I carried out proteomic and biochemical studies of glycol-proteins being components of the MO-1 flagellar apparatus or possibly serving as lubricants for the flagellar motor. Together these results contribute to our understanding of the diversity and evolution of MTB as well as the environmental significance of magnetotaxis.

La société Nanobactérie développe un traitement thermique innovant contre le cancer qui repose sur l‘utilisation de nanoparticules d‘oxyde de fer d‘origine bactérienne, appelées magnétosomes. Celles-ci sont injectées directement dans la tumeur puis activées par le champ magnétique alternatif. Cette activation crée une augmentation locale de la température provoquant la destruction de la tumeur, sans affecter les tissus sains environnants. Afin d‘éviter les problèmes de toxicité liés à la présence d‘endotoxines bactériennes à la surface des magnétosomes, un processus de purification est utilisé. Il permet l‘élimination de toute la membrane organique immunogène et de garder ainsi le minéral responsable de l‘activité thermique. Cependant, l‘élimination de cette membrane entraîne l‘agrégation des magnétosomes. La première étape de ce travail de thèse a donc consisté à stabiliser les magnétosomes purifiés, et l'‘identification du meilleur revêtement a été évaluée. Dans une deuxième partie, une nouvelle modalité de chauffage a été mise au point pour augmenter l‘efficacité de l‘hyperthermie magnétique dans la destruction de cellules cancéreuses. / The Nanobactérie company develops a novel strategy of cancer treatment using iron oxide nanoparticles of bacterial origin, called magnetosomes. These nanoparticles are injected directly into the tumor and then activated by an alternating magnetic field. Activated nanoparticles trigger a highly localized rise of temperature, inducing the destruction of the tumor without any adverse effects on adjacent healthy tissues. To avoid the problems of toxicity caused by the presence of bacterial endotoxin which present on the surface of magnetosomes extracted from bacteria, a process of purification is realized to eliminate all the immunogenic organic membrane and keep only the mineral responsible for the thermal activity. However, since elimination of this membrane causes the aggregation of the magnetosomes which become unstable in aqueous solution, the first part of this work consisted in stabilizing the purified magnetosomes by a modification of their surface. The identification of the best coating was then evaluated. Moreover, in the second part of this work, a new heating modality was assessed to increase the efficiency of the magnetic hyperthermia in the destruction of cancer cells.

Les bactéries magnétotactiques (MTB) appartiennent à différents phyla procaryotes et ont la capacité de synthétiser des magnetosomes (cristaux de magnétite entourés par une membrane). Durant la thèse, nous avons procédé à l’analyse génomique de 2 bactéries magnétotactiques: Magnetospira sp. QH-2 et Magnetococcus MO-1. La synthénie et la correlation génique des gènes impliqués dans la formation des magnétosomes montrent que l'insertion de cet îlot chez QH-2 a eu lieu après la divergence entre les Magnetospirillum sp et Magnetospira sp. L'analyse comparative a mis en évidence trois groupes distincts de MTB : Groupe I, comprenant les souches Magnetospirillum spp. et Magnetospira; Groupe II avec MO-1 et M. marinus MC-1 et le Groupe III, avec D. magneticus RS-1. QH-2 montre aussi une évolution adaptative distincte par comparaison aux souches marines ou d'eau douce. L'analyse comparative des réseaux métaboliques révèle une très grande similitude intra-Groupe et une importante variabilité inter-Groupe. Cela est probablement dû aux enzymes impliqués dans les voies métaboliques anoxiques, qui représentent ainsi la contrainte à une distribution taxonomique large des MTB. Ces enzymes permettent ainsi de prédire le phénotype métabolique nécessaire à la production des magnétosomes. Différentes analyses (des protéines ribosomales au genome entier) indiquent une composition taxonomique chimérique des gènes de MO-1 et MC-1, et peut représenter une nouvelle lignée taxonomique chez les Protéobactéries. J’ai aussi participé à l'analyse des génomes de deux bactéries piezophiles, d’une bactérie photosynthétique pourpre et l’analyse phylogénomique des tyrosine-Kinases bactériennes. / Magnetotactic bacteria (MTB) are a diverse group of aquatic prokaryotes, which synthesize membrane-Enclosed magnetic crystals known as magnetosomes. In this thesis, the genome sequences of two marine MTB strains, Magnetospira sp. QH-2 and magneto-Ovoid strain MO-1 were analyzed. The magnetosome gene cluster synteny and mam gene correlation indicate that the insertion of the magnetosome island into QH-2 chromosome occurred after divergence between freshwater and marine magnetospirilla. Comparative genomic analysis revealed three distinct groups of sequenced MTB strains: Group I with Magnetospirillum spp. strains and Magnetospira strain, Group II with MO-1 strain and M. marinus MC-1, and Group III including Desulfovibrio magneticus RS-1. In addition, it shows an adaptive evolution of two marine MTB strains to marine sediments in comparison with closely related freshwater species. Moreover, comparative metabolic network analysis reveals high level of intra-Group similarity and inter-Group variety in MTB. With anoxic network enzymes, potential “MTB” strains are predicted, and are consistent with recently isolated MTB strains. It suggested that the anoxic metabolic network might be one restricted constraint for MTB distribution in bacterial lineages. Interestingly, analyses from ribosomal proteins to the whole MTB genome strongly support a taxonomic chimeric nature of MO-1 and MC-1 genes, and may represent a novel Proteobacteria lineage. Additionally, I also participate to genome analyses of piezophilic Desulfovibrio and Phaeospirillum molischianum strains as well as genome-Wide analysis of bacterial tyrosine kinases.

Les bactéries magnétotactiques représentent un groupe d’une grande diversité écologique et phylogénétique. Elles sont capables de biominéraliser des nanocristaux de magnétite [un oxyde de fer (Fe(II)Fe(III)2O4)] ou de greigite [un sulfure de fer (Fe(II)Fe(III)2S4)] dans leurs magnétosomes, organites alignés en chaînes permettant la navigation le long des lignes de champ magnétique terrestre. Jusqu'à récemment, seules des souches produisant de la magnétite étaient disponibles en culture pure, conduisant à des études sur les mécanismes de biominéralisation de cet oxyde de fer. En 2011, une nouvelle bactérie capable de former de la magnétite et de la greigite, Desulfamplus magnetovallimortis souche BW-1, a été cultivée avec succès en laboratoire. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche intégrée et multidisciplinaire pour comprendre les mécanismes de biominéralisation de la greigite en utilisant comme modèle d’étude la souche BW-1. Nous avons donc cherché à déterminer les conditions environnementales et biologiques favorisant la formation de la magnétite et de la greigite. Ces travaux ont également conduit à la caractérisation physiologique et phylogénétique de BW-1. Puis, l’utilisation d’approches globales et ciblées de transcriptomique ont permis d'évaluer le taux d'expression des gènes impliqués dans la formation des magnétosomes (magnétite vs. greigite) dans diverses conditions de croissance. Une approche de protéomique a permis d’apporter des informations supplémentaires à cette étude. Ces résultats ont permis de progresser dans la compréhension fondamentale de la biominéralisation in vivo, en particulier pour des bactéries formant de la greigite. / Magnetotactic bacteria represent a phylogenetically and ecologically diverse group of prokaryotes able to biomineralize magnetic nanocrystals composed of magnetite [an iron oxide (Fe(II)Fe(III)2O4)] or greigite [an iron sulfide (Fe(II)Fe(III)2S4)] in their magnetosomes, a prokaryotic organelle whose cytoplasmic alignement in chain allows the cell to navigate along the Earth’s magnetic field lines. Until recently, only magnetite-producing strains were available in pure culture. Thus, only the magnetite biomineralization has been studied. In 2011, a new bacterium able to form both magnetite and greigite, Desulfamplus magnetovallimortis strain BW-1, was isolated from Death Valley, California and cultivated in pure culture. In this work, we propose to use an integrated and multidisciplinary approach to understand the mechanisms involved in greigite biomineralization in BW-1 strain. First, we determined the environmental and biological conditions in which magnetite and greigite are formed. This first part of my thesis also contributed to the physiologic and phylogenetic characterization of this bacterium. Secondly, we used global and targeted transcriptomic approaches to evaluate the transcription levels of genes putatively involved in magnetosomes formation (magnetite vs. greigite) under various growth conditions. A proteomic approach provided additional informations to this study.Results obtained during my thesis contribute to the understanding of in vivo biomineralization, particularly for greigite production in magnetotactic bacteria.

Cette thèse étudie quelques situations dans lesquelles un système actif, composé de particules auto-propulsées, est soumis à des contraintes extérieures. Dans un premier chapitre, nous étudions le comportement d'une assemblée de bactéries magnétotactiques —capables de s'aligner sur un champ magnétique extérieur— forcées au travers d'une constriction en forme de sablier. Nous caractérisons les propriétés dynamiques de ce système, à l'échelle individuelle mais également à celle de l'embouteillage formé et du jet émergeant. En particulier, nous montrons dans les zones concentrées en bactéries des couplages reliant densité en bactéries, vitesse de nage et forçage magnétique beaucoup plus complexes que ce qui avait été considéré jusqu'à maintenant dans les modèles théoriques.Le deuxième chapitre aborde un nouveau système actif constitué de disques de camphres posés à la surface de l'eau. Dans une première étape, nous avons étudié en détails les propriétés de nage individuelle de ces objets qui brisent spontanément la symétrie du système pour se mettre en mouvement. En particulier, nous montrons que les données recueillies peuvent être rationnalisées à l'aide d'une approche théorique très simple de ce problème couplé d'hydrodynamique et de transport de tensio-actif. Dans un troisième chapitre, nous avons abordé la dynamique d'une assemblée de ces nageurs interfaciaux interagissant via les champs hydrodynamiques et chimiques qu'ils génèrent. À concentration intermédiaire en nageurs, un régime de nage intermittente caractérisé par des bouffées pseudo-périodiques d'activité des nageurs apparaît. En utilisant des outils et concepts issus du domaine de la turbulence nous montrons que de façon remarquable, ce système très simple exhibe des comportements canoniques de la turbulence tels que prédits par Kolmogorov (1941), ouvrant ainsi des perspectives concrètes sur des analogies très riches entre turbulence et systèmes actifs / This work address different situations where active matter, made out of self-propelled particles, is submitted to external constraints.In a first part, we consider the response of magnetotactic bacteria –capable of swim alignment along magnetic field lines- directed through an hourglass shape geometry. We characterize the dynamic properties of the system, both at the individual bacteria scale and at the scale of the jammed region or of the induced outgoing jet. We show that in high density regions, couplings between the bacteria interactions, swim velocity and magnetic forcing take a much more complex form than had been considered so far in theoretical models.In a second chapter, we are addressing a new active system made out of camphor disks lying at the air-water interface. First of all, we study in details the individual swim properties of such particles, which spontaneously break the system symmetry to start moving. In particular, we show that all experimental data can be rationalized within the framework of a very simple model of this complex problem where hydrodynamic flows and surfactant transports are coupled through Marangoni stress.In a last chapter, we addressed the collective dynamics of an assembly of such interfacial swimmers that interact through the flow and chemical fields they generate. At intermediate swimmers concentrations, an intermittent swim regime appears characterized by pseudo-periodic activity bursts. Using tools and concepts from the turbulence domain, we show that, remarkably, this simple system exhibits dynamical properties matching the ones of canonical turbulence as predicted by Kolmogorov in the 40s. This demonstration opens up rich perspectives in the historical domain of turbulence together with in the emerging one of active matter