La candidate a transmis un dossier présentant les grandes étapes de sa carrière incluant ses principales réalisations scientifiques, collaborations et activités de formation d'étudiants à divers niveaux universitaires dont les études doctorales. Ce dossier présente également les perspectives de recherche de F. LUCAS pour les prochaines années dont la description d'activités de recherche menées en partenariat avec diverses équipes de recherche via le projet ANR PULSE, et, de plus, des partenaires industrielles dans les contextes du PIREN-Seine et de la structure fédérative de l'Observatoire des Polluants Urbains (OPUR). Ces grands programmes et partenariats représentent un socle solide permettant d'entreprendre des travaux interdisciplinaires sur des questionnements majeurs en écologie microbienne dont la prédiction de l'évolution des communautés bactériennes en fonction des contraintes du milieu. Les travaux de F. LUCAS vont de l'acquisition de données fondamentales en écologie microbienne (diversité des peuplements) aux problématiques plus finalisées d'évaluation des dangers sanitaires microbiens associés à certaines pratiques de gestion des eaux en milieu urbain.

L'objectif a été d'évaluer à l'aide de techniques de phylogénie moléculaire la diversité bactérienne non cultivable dans la neige du Mont Blanc (MtBl) contenant de la poussière saharienne déposée au cours de quatre événements pendant la période 2006-2009. La diversité bactérienne a été évaluée par digestion enzymatique d'ADN et le séquençage partiel de la région V3-V5 du gène et des séquences complètes d'ARNr 16S. Nous avons étudié : (i) de la neige (MtBl) ne contenant aucune poussière saharienne (par ADNr et ARNr) ; (ii) du sable du Sahara (Tunisie) ; (iii) des poussières sahariennes collectées à Grenoble (200 m ASL) et de la neige récupérée au MtBl (4250 m ASL). Le contenu en espèces et en phylotypes dominants a varié dans la neige du MtBl associée aux quatre dépôts de poussière saharienne sur 3 années. Les phylotypes dominants appartiennent aux classes des Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Deinococcus-Thermus, Bacteroidetes et les Cyanobactéria. Cette variabilité semble être davantage causée par les conditions de transport de la poussière. Quinze phylotypes ont été reconnus comme candidats pour colonisation de la neige. Les représentants des genres Massilia, Tumebacillus, Phormidium et Stigonema sont les candidats les plus probables pour la propagation dans la neige. Parmi tous les phylotypes identifiés, 10% ont été classés comme HA-phylotypes basés sur leur similitude (≥98%) avec les représentants du microbiome humain et 11% ont montré moins de 90% de similarité avec les taxons connus. Le séquençage partiel (V3-V5) et complet des gènes codant l'ARNr 16S a permis de décrire la diversité microbienne plus complète et d'en obtenir une image plus détaillée.

Les vasières intertidales sont le siège d'une forte production primaire sous la forme d'un biofilmmicrophytobenthique qui se développe en surface à marée basse. Ce biofilm se compose principalement de diatomées et de bactéries hétérotrophes. Ces deux composantes sécrètent des substances polymériques extracellulaires (EPS) qui jouent différents rôles dans le biofilm. Le travail présenté s'est basé sur différentes échelles d'observation (in situ à 2 saisons, mésocosme en laboratoire, et échelle fine du biofilm en microscopie confocale) et a permis de mettre en évidence les interactions des diatomées et des bactéries à différents moments de la marée et du nycthémère. L'utilisation d'une nouvelle méthode d'extraction des EPS a permis d'éclaircir leur rôle en évitant les contaminations par les substances internes provoquées par les méthodes classiques. Les EPS colloïdales particulièrement riches en glucose s'associent au déplacement des diatomées, notamment lors d'un stress (sursalure, carence en nutriments) et sont préférentiellement consommées par les bactéries, après leur dégradation par les enzymes ou leur hydrolyse dans l'eau interstitielle. Les EPS liées au frustule, et plus particulièrement les sucres, inhiberaient le développement bactérien à proximité de la cellule algale. Elles sont surtout sécrétées lors de la mise en place du biofilm et pour protéger la cellule quand les conditions sont osmotiquement défavorables et leur richesse en protéine leur confère un potentiel intéressant pour les bactéries qui peuvent les utiliser comme substrat azoté en cas de carence. D'autres substances ont été plutôt sécrétées parles bactéries telles que les N-acétylglucosamines et les protéines colloïdales de bas poids moléculaire,certainement des enzymes bactériennes, ainsi que le glucose qui semble être associé au EPS colloïdaux des diatomées mais aussi aux EPS bactériens selon l'analyse en microscopie confocale en utilisant des lectines comme marqueurs d'EPS.

Le fer, élément majeur de la croûte terrestre, présente une très forte réactivité grâce à son caractère rédox sensible, sa capacité à être utilisé par les organismes vivants et ses capacités de sorption d'un certain nombre d'éléments traces. L'objectif de cette étude est d'évaluer le rôle de l'activité biologique et des réactions non métaboliques dans le contrôle cinétique des transformations minéralogiques et des transferts de fer et des contaminants associés. Les cibles principales de cette étude sont les oxydes de fer ubiquistes dans les sols et les eaux. Ils se comportent comme des puits ou des sources d'éléments traces en fonction des conditions rédox du milieu. Ce travail est centré sur les zones humides, fragiles mais d'intérêt environnemental majeur. Ces dernières sont de véritables réacteurs biogéochimiques, siège d'alternances rédox susceptibles de stabiliser ou déstabiliser les oxydes de fer et où les activités bactériennes sont catalysées par la présence de quantités importantes de matière organique et de nutriments. Cette étude est divisée en deux volets (bio-oxydation et bio-réduction). Le premier volet concerne donc l'oxydation du Fe(II) en présence des bactéries et la biominéralisation. Les résultats obtenus ont montré que les bactéries retardaient l'oxydation du Fe(II) plutôt que de la catalyser par des processus passifs (réactions non métaboliques). Les observations microscopiques couplées avec des analyses chimiques ont montré la capacité des bactéries à adsorber les ions Fe2+, Fe3+ et oligomères de Fe(III), mais aussi à inhiber l'oxydation des ions Fe2+ en les bloquant à leurs surfaces, qui s'oxydent ensuite avec le temps. Cette oxydation du fer adsorbé à la surface est fortement dépendante de pH, et donc du processus d'adsorption ou de désorption si l'oxydation a lieu en solution. Les analyses minéralogiques ont montré une formation en présence des bactéries d'oxydes de fer amorphes et des oxydes de fer cristallisés dans les systèmes abiotiques. Le deuxième volet concerne l'étude in situ de la bio-réduction d'oxyhydroxydes de fer synthétiques (ferrihydrite et lépidocrocite) dopés ou non en As(V). L'étude a permis de développer une méthodologie originale de suivi qualitatif et quantitatif in situ (zone humide du bassin versant expérimental de Kervidy-Naizin, Bretagne) et ex situ (colonne du sol) de la dissolution réductrice de ferrihydrite et lépidocrocite dopées ou non en arsenic. Les résultats du suivi in situ de la dissolution de la ferrihydrite et la lépidocrocite pures et dopées en arsenic ont montré des taux de dissolution proches de ceux qui ont été mesurés dans des études de laboratoire avec des réducteurs biologiques ou chimiques. Par contre, les taux de dissolution observés ex situ ont montré des valeurs plus élevées que ceux reportés dans la littérature pour des données de laboratoire et de terrain. La majeure partie des phases néoformées est composée de sulfures de fer qui sont formés tardivement sur les plaquettes dans la dissolution réductrice. La libération de l'arsenic est plus importante dans le cas de la dissolution de la lépidocrocite que dans celle de la ferrihydrite, à cause de l'indisponibilité ou de la destruction des sites à la surface de la lépidocrocite réduite, alors qu'une partie de l'arsenic se réadsorbe à la surface de la ferrihydrite réduite. Dans tous les cas, le rôle majeur de la colonisation bactérienne a été montré.

La photohétérotrophie est la capacité d'utiliser des substrats organiques et de capturer l'énergie lumineuse. Elle est pratiquée par les bactéries phototrophes anoxygéniques aérobies (BPAA), les bactéries contenant de la protéorhodopsine (BPR) et les picocyanobactéries (Synechococcus). Les augmentations de l'export fluvial de carbone organique et de l'exposition de l'océan aux radiations solaires s'intensifient en Arctique, rendant cette région intéressante pour étudier la place des photohétérotrophes dans l'utilisation du carbone et de la lumière. Par l'utilisation de multiples approches de quantification absolue, de diversité culturale et moléculaire, notre étude est la première à caractériser à haute résolution les photohétérotrophes dans l'Océan Arctique. Les picocyanobactéries n'ont été détectées que dans l'estuaire du Mackenzie alors que BPAA et B-PR étaient présentes en mer de Beaufort. La communauté PAA était liée aux apports fluviaux contrairement à celle des B-PR principalement oligotrophe. Les distributions de ces communautés présentaient des patrons différents de celles du bactérioplancton suggérant un avantage écologique de la photohétérotrophie dans ces eaux. La communauté PAA était dominée par un clade nouveau de Betaproteobacteria et par les Rhodobacterales. Les Alphaproteobacteria, notamment des SAR11 et des clades endémiques de SAR116, dominaient la communauté de BPR. La majorité des BPR exprimait activement la PR suggérant de potentiels bénéfices. L'ensemble de nos résultats montre que la photohétérotrophie est répandue dans l'Océan Arctique et suggère que son rôle pourrait être différent en fonction des conditions environnementales rencontrées.

Cette thèse regroupe des travaux concernant le biais d'usage de codons et son rôle chez les bactéries et leurs phages, en particulier sur les processus de traduction et l'organisation des génomes bactériens. Après une introduction portant sur i) la traduction chez les procaryotes, et ii) les techniques de classification et leurs liens avec la théorie de l'information, un nouvel algorithme de partition d'un ensemble de gènes en fonction de leur usage de codons est présenté. Son application aux génomes d'E. coli et de B. subtilis permet de mettre en évidence plusieurs phénomènes. Le génome de ces organismes se décompose respectivement en 4 et 5 groupes de gènes ayant des usages de codons distincts. Les gènes du même groupe tendent à partager des fonctions similaires, et sont organisés sur le chromosome en domaines cohérents d'une longueur de 10 à 15 gènes. Cette organisation non triviale pourrait permettre une régulation de la vitesse de traduction des gènes en fonction de leur similarité avec leur environnement génétique. <br />Dans la seconde partie le biais de codons et le contenu en ARN de transfert (ARNt) de bactériophages sont analysés, comparativement à ceux de leurs hôtes. L'étude statistique montre que le contenu en ARNt des phages n'est pas aléatoire, mais biaisé en faveur d'ARNt complémentaires aux codons fréquents dans le génome du phage. Un modèle d'équation maîtresse montre que cette distribution des ARNt au sein des génomes de phages pourrait être le résultat de deux processus : l'acquisition aléatoire par le phage d'ARNt, parmi ceux de l'hôte, et la perte préférentielle des ARNt correspondants à des codons moins utilisés par le phage que par son hôte. Un tel mécanisme permettrait au phage de s'adapter en ne conservant au final que les ARNt présents en quantité insuffisante chez son hôte pendant l'infection. Finalement, on observe plus d'ARNt chez les phages lytiques que chez les tempérés, laissant supposer que les processus de traduction sont soumis à une plus forte pression de sélection chez eux.

Les infections nosocomiales à bactéries multi-résistantes sont en constante augmentation en réanimation. Elles ont des conséquences individuelles et collectives majeures. La mortalité en réanimation et les prolongations des durées de séjour sont les deux principales conséquences individuelles connues à ce jour. Plusieurs facteurs confondants rendent l'interprétation des études difficiles, dont l'état sous jacent du patient, la virulence de la bactérie et l'adéquation thérapeutique. Mesurer la part de chacun de ces facteurs et préciser leur responsabilité respective est indispensable pour mobiliser les différents acteurs et améliorer le pronostic des patients en réanimation. Dans cette thèse nous avons souhaité approcher la réponse quant aux conséquences individuelles. A partir d'une base de données incluant des patients de réanimation, nous avons utilisé les méthodes statistiques les plus récentes et avons tenté de prendre en compte les différents facteurs confondants , pour répondre à trois questions précises que sont : la mortalité liée à une espèce bactérienne donnée, les facteurs associés à la mortalité des patients présentant un sepsis sévère ou choc septique en réanimation et les conséquences liées à l'isolement des patients infectés ou colonisés avec une bactérie multi-résistante. Nous montrons que (1) par l'intermédiaire d'une prolongation de la durée de séjour en réanimation, l'infection à Clostridium difficile augmente la pression de colonisation, sans pour autant avoir d'impact direct sur le décès. (2) que le pronostic des sepsis sévères et des chocs septiques dépend de l'adéquation de l'antibiothérapie et que les bactéries résistantes sont plus souvent traitées de manière inadéquate. (3) que l'isolement contact est associé non seulement à une augmentation attendue du risque de pneumonie nosocomiale a germe multi-résistants mais aussi à une augmentation du risque d'erreurs thérapeutiques et d'événements indésirables non infectieux. Cet impact délétère suggéré par des études en dehors de la réanimation doit être pris en compte lors de la mise en place des précautions contact en réanimation.

Les Escherichia coli producteurs de Shiga-Toxines (STEC) sont responsables de maladies humaines sévères. Les ruminants sont considérés comme étant leur principal réservoir. La dissémination des STEC au sein des élevages est liée en partie à l'alimentation des animaux et donc potentiellement à l'ingestion d'ensilages contaminés. Les bactéries lactiques peuvent être employées comme agents technologiques ou dans des stratégies de bio-protection. Sur le plan de l'ensilage, elles jouent un rôle de préservation mais peuvent également représenter une barrière à la survie de pathogènes comme les STEC. Ce travail a permis de sélectionner des bactéries lactiques inhibitrices de la croissance de divers sérogroupes de STEC. Les études de compétitions ont mis en évidence un phénomène bactéricide sur certaines souches, dont le mécanisme reste encore non élucidé. Le potentiel inhibiteur des bactéries lactiques sélectionnées a été testé indépendamment dans des ensilages de maïs contaminés à différentes étapes de leur réalisation : à la mise en silos, à l'ouverture ou après une période d'exposition aérobie. En cas de contamination à la mise en silos, les souches de STEC testées n'ont pas survécu dans des ensilages correctement menés. Une souche de Ln. mesenteroides a permis de limiter la survie des souches de STEC dans les ensilages contaminés à l'ouverture. Cependant, après 144h d'aération, aucun additif n'a montré d'effet protecteur avéré. Le contrôle de l'alimentation animale afin de limiter l'entrée des STEC dans le cycle épidémiologique pourrait donc passer par l'emploi de bactéries lactiques ; sans négliger cependant les Bonnes Pratiques nécessaires à la réalisation de l'ensilage.

Depuis plusieurs décennies, les biocapteurs connaissent un développement croissant de par leurs champs d'applications. Dans ce contexte, au travers d'une approche pluridisciplinaire, nous avons conçu une cellule de mesure et des puces microfluidiques en polymère PDMS, qui, couplées à des immunocapteurs à ondes de Love, constituent une plateforme pour la détection rapide de bio-organismes. Cette nouvelle plateforme a permis la détection directe et spécifique d'anticorps et de bactéries Escherichia Coli entières vivantes. Elle a également permis de diminuer significativement le temps de détection (de plusieurs heures à quelques minutes), de simplifier les protocoles de test, et d'introduire la "composante dynamique" proche des phénomènes biologiques. La spécificité de la détection résidant dans la fonctionnalisation de surface du capteur, cette plateforme peut s'adapter à la détection d'un spectre très large de bioorganismes ou de composés en milieu liquide.

Les lésions carieuses ou les traumatismes physiques profonds aboutissent souvent à une destruction des fibroblastes pulpaires (FP) et des odontoblastes, et provoquent l’activation du Complément. Le rôle du Complément dans la régénération pulpo-dentinaire a été montré avec le fragment C5a, connu pour induire la migration des cellules souches pulpaires (CS). Nous avons montré que le C3a participe à la régénération pulpo-dentinaire. Après un tri cellulaire, nous avons montré l’expression du C3aR sur les CS et les FP en culture, et aussi sur coupes de dents humaines. De plus, les deux types cellulaires prolifèrent en présence de concentrations croissantes de C3a. La migration cellulaire a été évaluée dans des chambres de migration microfluidiques. Les CS sont mobilisées, tandis que les FP sont spécifiquement recrutés par un gradient de C3a. Les complexes d’attaque membranaire (CAM) produits par les FP a été montrée. Nous avons démontré que les FP peuvent détruire les bactéries cariogènes S. mutans et S. sanguis. Les FP ont été incubés avec un milieu contenant du LTA pour simuler une infection bactérienne in vitro. Nous avons montré que les bactéries cariogènes étaient très sensibles aux surnageants des FP stimulés, soulignant un effet létal des CAM. Des co-cultures de fibroblastes pulpaires et de bactéries ont révélé la présence des CAM sur les bactéries. Ces résultats soulignent des rôles inattendus du Complément pendant les étapes précoces de la régénération pulpo-dentinaire et de la défense pulpaire. Ce travail suggère de nouvelles stratégies thérapeutiques, où des molécules du Complément pourront être délivrées localement pour favoriser la régénération pulpo-dentinaire / Deep pulp physical injuries or carious lesions often lead to fibroblast cell injury and destruction of the dentin-secreting odontoblasts, and lead to the Complement activation. Its involvement in dentin-pulp regeneration has been shown with C5a fragment, known to induce specific recruitment of DPSC. We show that C3a, is also involved in dentin-pulp regeneration. After cell sorting, we highlighted C3a Receptor expression on pulp fibroblasts and STRO-1-sorted DSPC as well as on human tooth sections in vivo. The effect of C3a on proliferation of DPSCs and pulp fibroblasts was shown with an increased proliferation for both cell types. Cell migration was evaluated using microfluidic chemotaxis chambers. We showed that DPSCs were mobilized but not specifically recruited, while pulp fibroblasts were specifically recruited following a C3a gradient. We demonstrated that pulp fibroblasts can synthesize functional membrane attack complex (MAC) and kill cariogenic bacteria S. mutans and S. sanguinis. To simulate bacterial infection in vitro, pulp fibroblasts were incubated with lipoteichoïc acid (LTA). Agar well diffusion assay showed that bacteria exposed to LTA-conditioned media were highly sensitive, showing lethal effect of MAC. Coculture of pulp fibroblasts and bacteria showed that MAC synthesized by pulp fibroblasts can be directly fixed on cariogenic bacteria, after direct contact with fibroblasts. These results underline unexpected roles of Complement system activation in early events of dentin-pulp regeneration and pulp defense. Our findings suggest new therapeutic strategies, where new agents can deliver specific Complement molecules to enhance dentin-pulp regeneration.