Le but de cette étude était d'évaluer le potentiel antimicrobien de bactériocines pour le contrôle du pathogène porcin Streptococcus suis sérotype 2. Pour répondre au premier objectif de ce projet, la susceptibilité de S. suis à la nisine, une bactériocine produite par Lactococcus lactis, seule ainsi qu'en combinaison avec différents antibiotiques, a été démontré. Pour réaliser le second objectif, la purification et la caractérisation d'une bactériocine produite par une souche non-virulente de S. suis sérotype 2 ont été effectuées. La bactériocine a d'abord été purifiée par HPLC pour ensuite être caractérisée au niveau biochimique, ainsi que génique. Des études plus approfondies permettront d'évaluer la capacité de la nisine, de la suicine 90-1330 ou de leur souche productrice respective à prévenir des infections expérimentales à S. suis chez le porc en vue d'une potentielle application thérapeutique et préventive.

Thèse en cotutelle, doctorat en sciences des aliments : Université Laval, Québec, Canada, Philosophiæ doctor (Ph. D.) et Museum national d'histoire naturelle,75005 Paris, France / L'émergence de bactéries multirésistantes (BMR) est un risque majeur pour la santé humaine et animale. Le problème est exacerbé par le besoin croissant de produits alimentaires, poussant l'industrie agricole à utiliser de plus en plus d'antibiotiques en réponse à la demande. De multiples pistes de recherche sont explorées pour répondre à l'urgence croissante de la situation, dont celle des bactériocines. Ces peptides antimicrobiens d'origine bactérienne présentent des spectres d'activité étroits et leur présence naturelle dans le microbiote de nombreux mammifères en font des candidats prometteurs. Actuellement, le potentiel des microcines, bactériocines des Enterobacteriaceae, est peu étudié. Ces peptides exercent leur activité antibactérienne sur d'autres Enterobacteriaceae qui sont considérées comme des menaces urgentes et sérieuses par le « Centre for Disease Control » (CDC). Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de déterminer si les microcines sont une solution pertinente à la crise des antibiotiques, que ce soit comme remède provisoire ou comme mesure plus durable. Quatre microcines différentes ont été choisies pour ce projet : la microcine C (McC= un peptide nucléotidique inhibiteur de l'aspartyl ARNt synthase ; la microcine B17 (MccB17) un peptide portant des cycles thiazole et oxazole inhibiteur de l'ADN gyrase ; la microcine J25 (MccJ25) un peptide lasso inhibiteur de l'ARN polymérase et enfin la microcine E492 (MccE492) un peptide sidérophore qui cible la membrane interne par association avec le transporteur de mannose ManYZ. Dans un premier temps, nous avons produit et purifié les microcines. Ensuite, nous avons caractérisé l'efficacité des microcines contre une collection d'Enterobacteriaceae composée de différents pathogènes et BMR. Ces dernières regroupaient des souches Escherichia coli, Salmonella enterica et Klebsiella pneumoniae provenant de différents environnements, humain, animal, hôpitaux etc... Il a été observé qu'aucune des souches utilisées dans l'étude n'ait capable de résister aux quatre microcines, dans la marge de concentrations testée (jusqu'à 50 μg/mL). McC a montré le spectre d'activité le plus large, alors que la MccJ25 a montré la plus faible concentration minimale inhibitrice. Nous avons ensuite testé l'activité inhibitrice de différentes combinaisons de microcines ou de microcines avec des antibiotiques ayant des mécanismes d'action différents dont le but d'identifier des consortia à effet synergique ou additif. Aucun antagonisme n'a été observé alors que plusieurs combinaisons ont présenté des effets partiellement synergiques. Sur la base de cette étude phénotypique, aucune corrélation n'a été observée entre la résistance aux microcines et les phénotypes de résistance aux antibiotiques. Une étude génomique a été menée pour mieux évaluer la relation entre la résistance aux antibiotiques et la résistance aux microcines. Les séquences des génomes globaux de toutes les souches cibles ont été déterminées et analysées en utilisant différents programmes bio-informatiques. Les séquences de tous les gènes codant des protéines impliquées dans la biosynthèse des microcines et leurs mécanismes d'action ont été comparées. On a constaté que 48,5% de tous les phénotypes résistants aux microcines observés sont corrélés avec des changements significatifs des gènes codant pour les cibles de la microcine dans la cellule inhibée. Une étude non ciblée a été menée pour explorer tout nouvel élément génétique responsable de la résistance aux microcines. Il a été confirmé qu'aucun gène de virulence ou AMR n'était impliqué dans la résistance aux microcines. En outre, 28,5% de tous les phénotypes de résistance aux microcines observés étaient liés à de nouveaux éléments génétiques impliqués dans la réponse au stress, le métabolisme du sucre et / ou les systèmes toxine/anti-toxine. Enfin, nous avons analysé l'impact des microcines et par extension des bactériocines sur l'hôte dans un modèle in vivo porcin. L'impact de la microcine J25 et la nisine ont été étudié sur des porcelets en sevrage en comparaison avec deux traitements contrôles (antibiotique et sans traitement). Les traitements par antibiotique et MccJ25 ont montré les meilleures performances de croissance chez les porcelets, suivi du traitement par la nisine. Aucune différence significative dans la composition du microbiote n'a été observée au niveau des phyla. Cependant, le traitement nisine a présenté un impact négatif sur le genre Streptococcus. Parallèlement, les différents traitements n'avaient pas d'impact sur la composition des acides gras à chaîne courte. Le traitement ATB a montré le plus fort impact au niveau du métabolome fécal des porcelets. En conclusion, cet ensemble de travaux représente une approche holistique de l'évaluation du potentiel des microcines en tant qu'alternative aux antibiotiques. Ainsi, les spectres d'activité, les mécanismes de résistance et l'impact des microcines ont été caractérisés avec un haut niveau de précision, plus approprié pour les antimicrobiens à spectre étroit. / The emergence of multidrug-resistant (MDR) bacteria is a major risk to human and animal health. The problem is exacerbated by the growing need for food, pushing the agricultural industry to use more and more antibiotics in response to an increasing human population. Multiple avenues of research are being explored to respond to the growing urgency of the situation, including bacteriocins. They exhibit narrow activity spectra and their natural presence in the microbiota of many mammals make them promising candidates. Currently the potential of microcins, a member of the bacteriocin family, is poorly studied. They are generally produced from Enterobacteriaceae to target other Enterobacteriaceae that are considered urgent and serious threats by the (CDC) Center for Disease Control. Therefore, the main objective of this thesis is to determine whether microcins are a plausible solution to the antibiotic crisis, either as an interim remedy or as a more durable measure. Four different microcins were chosen for this project; McC a nucleotide peptide and inhibitor of tRNA synthase; MccB17 a thiazole oxazole modified microcin (TOMM) that inhibits DNA Gyrase; MccJ25 a lasso peptide and RNA polymerase inhibitor and finally MccE492 a siderophore peptide that targets the inner membrane through stable association with the mannose transporter ManYZ. Initially, the effectiveness of microcins was characterized against a collection of Enterobacteriaceae composed of different pathogens and MDR strains. These were natural isolates of the medically pertinent Escherichia coli, Salmonella enterica and Klebsiella pneumoniae species, and from a variety of environments such as human, animal, hospitals, etc. It was observed that none of the strains used in the study were able to with stand all four microcins, within the tested range of concentrations (up to 50 μg/mL). McC had the widest activity spectra and MccJ25 had the lowest minimum inhibitory concentration. Furthermore, microcin inhibition varied between bacteriostatic and bactericidal for all tested microcins. Moreover, we tested whether these microcins can be combined with each other or with other antibiotics of different mechanisms of action to increase their activity. No antagonism was observed, and multiple partially synergistic effects were recorded, mostly in microcin antibiotic consortia. Based on this phenotypic study, no correlation was observed between microcin resistance and antibiotic resistance phenotypes. Second, a genomic study was conducted to better assess the relationship between antibiotic resistance and microcin resistance to confirm whether there is potential crossover. The genetic sequences of all genes involved in microcin biosynthesis, and their mechanisms of action were compared. It was found that 48.5% of all observed microcin-resistant phenotypes correlated with significant changes in genes encoding microcin partners in the target cell. Then a (GWAS) Genome Wide Association Study was conducted to explore any novel genetic element responsible for resistance to microcins. It was confirmed that no virulence or (AMR) antimicrobial resistance genes were involved in microcin resistance. In addition, 28.5% of all microcin resistance phenotypes observed were related to novel genetic elements involved in stress response, sugar metabolism and/or (TA) toxin-antitoxin systems. Finally, we sought to analyse the impact of microcins and by extension bacteriocins on the host in an in vivo porcine model. The impact of two bacteriocin treatments (NIS, Nisin and MIC, MccJ25) were studied on weaning piglets compared with two control treatments (ATB, antibiotic) and (SAB, without treatment). The ATB and MIC treatments showed the strongest growth in piglet weights, followed by the NIS and SAB treatment. No significant shifts to the microbiota compositions were observed on the phyla level, albeit with a negative impact of NIS on the Streptococcus genus. Additionally, there was no significant impact of the treatments on the composition of Short Chain Fatty Acids(SCFAs), yet the ATB treatment presented the most distinct metabolome profile. This suggest that both MccJ25 and Nisin are able to yield similar health benefits to weaning pigs as antibiotics while better preserving their gut homeostasis. In conclusion, this body of work represents a holistic approach to the evaluation of the potential of microcins as an alternative to antibiotics. Whereby, the activity spectra, resistance mechanisms and impact of microcins was characterised with a high level of precision, more appropriate for narrow spectrum antimicrobials.

La résistance aux antibiotiques est devenue un problème majeur dans la prévention et le traitement des infections bactériennes. Comme elles démontrent des activités inhibitrices in vitro contre un grand nombre de bactéries pathogènes cliniquement importantes, les bactériocines sont de plus en plus considérées comme une alternative potentielle aux antibiotiques conventionnels. Malgré cet énorme potentiel, leur utilisation est grandement limitée par les coûts élevés associés à leur production par fermentation. La synthèse chimique de ces dernières a été envisagée, mais aucune approche n’a donné jusqu’à maintenant un rendement qui puisse faire diminuer significativement les coûts de production. Dans le but de développer une voie de synthèse efficace pour ces peptides antibactériens, nous avons utilisé comme modèle la pédiocine PA-1, une bactériocine de classe IIa avec une activité anti-Listeria. L’optimisation de l’approche synthétique nous a permis d’augmenter les rendements de 1% à 45% et de concevoir des analogues avec des propriétés pharmacologiques améliorées comme une plus grande résistance à l’oxydation et à la lyse enzymatique. Cette importante réalisation nous a non seulement permis de produire la bactériocine en grande quantité, mais aussi déterminer sa structure tridimensionnelle et d’évaluer son impact sur le microbiote au niveau du tractus gastro-intestinal humain. L’approche développée s’est également avérée efficace pour la production d’autres bactériocines de la classe II comme la bactofencine A et permet de cibler davantage de pathogènes qu’on retrouve dans les différents secteurs alimentaire, vétérinaire et médical. En plus de décrire la synthèse et les études structure-activité de la bactofencine A, cet ouvrage présente les stratégies utilisées pour produire et déterminer la structure de la pédiocine PA-1 ainsi que les études sur son activité antimicrobienne et ses effets sur le microbiote dans le tractus gastro-intestinal. / Antibiotic resistance has become a major problem in the prevention and treatment of bacterial infections. As they demonstrate in vitro inhibitory activities against a large number of clinically important pathogenic bacteria, bacteriocins are increasingly seen as a potential alternative to conventional antibiotics. Despite this enormous potential, their use is greatly limited by the high costs associated with their production by fermentation. The chemical synthesis of the latter has been considered, but no approach has yielded so far a yield that can significantly reduce production costs. In order to develop an efficient synthetic route for these antibacterial peptides, we used as model the pediocin PA-1, a class IIa bacteriocin with anti-Listeria activity. Optimization of the synthetic approach allowed us to increase yields by 1% to 45% and to design analogues with improved pharmacological properties such as greater resistance to oxidation and enzymatic lysis. This important achievement allowed us to not only produce bacteriocin in large quantities but also to determine its three-dimensional structure and to evaluate its impact on the microbiota in the human gastrointestinal tract. The approach developed has also been shown to be effective for the production of other class II bacteriocins such as Bactofencin A and allows targeting more pathogens found in the different food, veterinary and medical sectors. In addition to describing the synthesis and structure-activity studies of Bactofencin A, this book presents the strategies used to produce and determine the structure of pediocin PA-1 as well as studies on its antimicrobial activity and its effects on microbiota. the gastrointestinal tract.

Les bactériocines sont des composés de nature protéique dotés d'une activité antimicrobienne dirigée contre des bactéries phylogénétiquement proches de la souche productrice. Récemment, la production de bactériocines a été évoquée comme un mécanisme d'action important impliqué dans l'activité antimicrobienne des probiotiques au niveau gastro-intestinal. Ce projet de recherche avait pour objectif d’évaluer la capacité de certaines bactéries lactiques bactériocinogènes à produire leur bactériocine dans les conditions physiologique et microbiologique du tractus digestif. Trois souches bactériocinogènes, à savoir Lactococcus lactis biovar diacetylactis UL719 (productrice de nisine Z), Pediococcus acidilactici UL5 (productrice de pédiocine PA-1) et L. lactis ATCC 11454 (productrice de nisine A) ont été utilisées comme modèle lors de ces travaux de thèse. Des expériences menées dans le simulateur de tractus digestif TIM-1 ont montré que P. acidilactici avait un taux de survie de 17 % aux stress rencontrés au niveau de l’estomac et de l’intestin grêle. Le transit dans la partie proximale du système digestif a eu peu d’effet sur l’activité inhibitrice de cette souche. Une légère surexpression des gènes de production de la bactériocine a même été observée à la sortie l’iléon. Contrairement à P. acidilactici UL5, L. lactis ATCC 11454 était moins résistante au stress digestif, avec un taux de survie inférieur à 1 %. Par ailleurs, les trois souches bactériocinogènes étudiées se sont révélées capables de croitre et de produire leur bactériocine dans un milieu de culture simulant le milieu colique. Dans le cas de P. acidilactici, nous avons démontré une inhibition significative de Listeria directement corrélée avec la production de pédiocine puisqu’aucune inhibition n’a été observée avec un mutant non producteur. Enfin, nous avons étudié la capacité de la souche P. acidilactici à survivre et à produire sa bactériocine au niveau iléaque de même que l’impact de cette activité inhibitrice sur l’équilibre du microbiote iléaque chez l’humain. Les analyses microbiologiques ont révélé que P. acidilactici survivait au transit bien qu’elle ne soit pas capable d’y croitre, probablement en raison d’un manque de compétitivité vis-à-vis du microbiote. Ces observations expliqueraient la faible activité inhibitrice de P. acidilactici contre L. monocytogenes que nous avons mesuré. / Bacteriocins are proteinaceous compound naturally produced by several bacterial strains with an inhibition activity directed against closely related bacteria. Recently, the production of bacteriocins was proposed as an important mechanism of action involved in the antimicrobial activity of probiotics in the gastrointestinal tract. This research aimed to evaluate the ability of some bacteriocin-producing lactic acid bacteria to produce their bacteriocins in the physiological and microbiological conditions of the digestive tract. Three strains, namely L. lactis biovar diacetylactis UL719 (producing nisin Z), P. acidilactici UL5 (producing pediocin PA- 1) and L. lactis ATCC 11454 (producing nisin A) were used as models throughout this thesis. Experiments performed with the TIM-1 digestive tract simulator have shown that P. acidilactici had a survival rate of 17 % in the stomach and small intestine. Passage in the proximal part of the digestive tract had little effect on the inhibitory activity of this strain. A slight over-expression of the genes encoding production of bacteriocin has been observed even at the end of the ileum. Unlike P. acidilactici UL5, L. lactis ATCC 11454 was less resistant to gastrointestinal stress, with a survival rate of less than 1 %. In addition, the three bacteriocin-producing strains considered in this study were proved able to grow and produce their bacteriocins in a culture medium simulating the colonic environment. In the case of P. acidilactici, we demonstrated significant inhibition of Listeria in the colonic medium and that this inhibition was directly correlated with the production of pediocin since no inhibition was observed with a non-producing mutant. Finally, we studied the ability of P. acidilactici to survive and produce its bacteriocin in the ileac conditions and the impact of this inhibitory activity on the balance of ileac microbiota of healthy humans. Microbiological analyzes revealed that P. acidilactici survived throughout the transit although it was not able to grow, probably due to a weak competitivity compared to the ileac microbiota. These observations may explain the low inhibitory activity of P. acidilactici against L. monocytogenes that we measured.

Au cours des dernières décennies, les antimicrobiens naturels d'origine bactérienne, telles que les bactériocines et la reutérine, ont reçu une attention considérable entant que conservateurs alimentaires ou comme alternatives aux antibiotiques pour les secteurs humain et animal. L'approbation des bactériocines et de la reutérine entant que bio-conservateurs ou assainisseurs par les organismes réglementaires repose non seulement sur les preuves d'efficacité mais également sur des données crédibles de cytotoxicité et de comportement dans l'environnement gastro-intestinal. Bien que les activités antimicrobiennes des bactériocines et de la reutérine soient largement documentées dans la littérature, très peu de données sont disponibles sur leur biodisponibilité dans les matrices biologiques et sur leur toxicité pour les différentes applications. Par conséquent, l'objectif général de cette thèse est d'évaluer, à travers différents modèles in vitro, la stabilité gastro-intestinale, l'activité biologique et la toxicité des bactériocines et de la reutérine en vue de leur utilisation dans différentes applications alimentaire, médicale et vétérinaire. Le premier objectif spécifique était de produire, purifier et évaluer l'activité antimicrobienne des bactériocines et de la reutérine seules et en combinaison contre un large panel de organismes pathogènes et d'altération d'intérêt pour les différents secteurs. Cinq consortia synergiques différents ont été identifiés, dont trois -microcine J25 + l'acide citrique + l'acide lactique, microcine J25 + reutérine + acide citrique, et microcine J25 + reutérine + acide lactique- ont montré une activité significative contre Salmonella enterica subsp. enterica serovar Newport ATCC6962 (indice FIC = 0,5). Deux autres combinaisons- pédiocine PA-1 + acide citrique+ acide lactique, et reutérine + acide citrique + acide lactique- ont montré des effets partiellement synergiques contre Listeria ivanovii HPB28 (indice FIC = 0,75). Le deuxième objectif spécifique était d'évaluer la stabilité gastro-intestinale de la reutérine à l'aide d'un modèl simulant des conditions digestives chez l'humain ainsi que l'activité hémolytique et la cytotoxicité in vitro de la reutérine par dosage au rouge neutre et dosage colorimétrique à la lactate déshydrogénase (LDH) en utilisant la lignée cellulaire Caco-2. La reutérine s'est révélée biologiquement très stable los du transit gastro-intestinal. L'exposition des cellules Caco-2 à différentes concentrations de réutérine n'a montré aucun effet négatif sur la viabilité ni sur l'intégrité des cellules à des concentrations allant jusqu'à 1080 mM. De plus, aucune hémolyse n'a été observée sur les cellules sanguines exposées à des concentrations allant jusqu'à 270 mM de reutérine. En conséquence, cette étude nous a permis de démontrer que la réutérine peut être utilisée de façon très sécuritaire à des concentrations n'excédant pas 270 mM, dans différentes applications. Le troisième objectif était d'évaluer la stabilité gastro-intestinale et l'activité de la microcine J25, de la pédiocine PA-1, de la bactofencine A et de la nisine à l'aide de modèles in vitro. De plus, la cytotoxicité et l'activité hémolytique de ces bactériocine sont été étudiées sur des cellules Caco-2 et des érythrocytes de rat, respectivement. Nos résultats ont montré que la pédiocine PA-1, la bactofencine A et la nisine sont dégradées à différents niveaux lors du transit gastro-intestinal, tandis que la microcine J25 n'est que partiellement dégradée. D'autre part, les études réalisées sur les cellules Caco-2 n'ont montré aucun effet cytotoxique jusqu'à des concentrations de 400 µg/mL. L'étude sur les érythrocytes de rat a montré un effet, hémolytique significatif lorsque la pédiocine PA-1, la bactofencine A et la nisine sont utilisées à des concentrations supérieures à 50 µg/mL, tandis que la microcine J25 n'a montré aucun effet hémolytique Dans le quatrième objectif, la toxicité cutanée de la reutérine, de la microcine J25, de la pédiocine PA-1, de la bactofencine A et de la nisine Z a été étudiée in vitro en utilisant des tests de libération de rouge neutre et de LDH sur des cellules NHEK. Les potentiels de sensibilisation et d'irritation cutanée de ces mêmes bactériocine sont également été déterminés en utilisant respectivement le test h-CLAT et le modèle épidermique humain EpiDerm™. Les essais réalisés sur les cellules NHEK ont montré que l'exposition de ces cellules aux bactériocines et à la reutérine à des concentrations allant à 400 µg/mL et 80 mg/mL respectivement, n'a entrainé aucun effet cytoxique. De plus, la microcine J25 et la reutérine n'ont montré aucune sensibilisation cutanée à des concentrations allant à 100 µg/mL et 40 mg/mL, respectivement, tandis que la pédiocine PA-1, la bactofencine A et la nisine Z ontprovoqué une sensibilisation à des concentrations supérieures à 100 µg/mL. La viabilité des tissus n'a pas été affectée en présence de bactériocines et de reutérine à des concentrations allant jusqu'à 200 µg/mL et 40 mg/mL, respectivement. L'ensemble de ces résultats montre que certaines bactériocines et la reutérine pourraient être incorporées en toute sécurité comme ingrédient antimicrobien dans différentes préparations topiques destinées à des applications humaines et animales Finalement, le dernier chapitre de la thèse a été consacré au développement et à la caractérisation de différents hydrogels à activité antimicrobienne et ayant comme principe actif des bactériocines ou de la réutérine. La reutérine, la pédiocine PA-1 et la microcine J25 ont été incorporées dans des formules d'hydrogel développées à partir de biopolymères à base de chitosan (1,5% , 2,5%) ou de carboxymethle cellulose (CMC 3% , 5%). Les hydrogels développés ont été caractérisés en termes d'aspect général, de viscosité, d'activité antimicrobienne et de stabilité pendant lors de l'entreposage à température ambiante. Les résultats obtenus ont montré que le chitosane à 1,5 % et 2,5 % contenant de la microcine J25 ou de la pédiocine PA-1demontré une activité inhibitrice significative durant toute la période d'entreposage. L'effet inhibiteur de la microcine J25 et de la reutérine dans les hydrogels CMC 3% et 5% est resté inchangé tandis que la pédiocine ajouté aux hydrogels de CMC 3% et 5% a perdu son activité dès la première semaine. En termes de viscosité, l'ajout d'antimicrobiens aux hydrogels n'a pas affecté leur viscosité et toutes les formules sont restées stables pendant les quatre semaines d'entreposage. Les résultats obtenus montrent que les formules développées présentent un fort potentiel d'application dans les secteurs alimentaire, médical et vétérinaire. En conclusion, le travail décrit dans cette thèse a permis de générer des résultats uniques sur le comportement, l'activité biologique, la stabilité et la toxicité de plusieurs composés antimicrobiens d'origine bactérienne incluant différentes bactériocines et la reutérine. Différents modèles in vitro récents et protocoles expérimentaux ont alors été utilisés et adoptés pour notre étude. Les résultats obtenus sont très pertinents et sont indispensable dans les démarches d'homologation de ces composés naturels par les différents organismes règlementaires pour différentes applications que ce soit pour le secteur alimentaire, médicale et/ou vétérinaire. En conclusion, le travail décrit dans cette these a permis de générer des résultats uniques sur le comportement, l'activité biologique, la stabilité et la toxicité de plusieurs composés antimicrobiens d'origine bactérienne incluant différentes bactériocines et la reutérine. Différents modèles in vitro récents et protocoles expérimentaux ont alors été utilisés et adoptés pour notre étude. Les résultats obtenus sont très pertinents et sont indispensable dans les démarches d'homologation de ces composés naturels par les différents organismes règlementaires pour différentes applications que ce soit pour le secteur alimentaire, médicale et/ou vétérinaire. / In recent decades, natural antimicrobials produced by bacteria, such as bacteriocins and reuterin, have received considerable attention as food preservatives or as alternatives to antibiotics for the human and animal sectors. Approval of bacteriocins and reuterin as bio-preservatives or sanitizers by regulatory agencies is based not only on evidence of efficacy but also on sufficient data on cytotoxicity and behavior in the gastrointestinal conditions. Although the antimicrobial activities of bacteriocins and reuterin have been widely studied, very little data is available on their behavior in biological matrices and their toxicity for different applications. Therefore, the general objective of this thesis was to evaluate the gastrointestinal stability, the biological activity, and the toxicity of bacteriocins and reuterin using different in vitro models for their intended use in food, medical, and veterinary applications. The first specific objective was to produce, purify and evaluate the antimicrobial activity of bacteriocins and reuterin alone and in combination against a wide range of pathogenic and spoilage organisms of interest to different sectors. Five different synergistic consortia were identified, of which three of them (microcin J25 + citric acid + lactic acid, microcin J25 + reuterin + citric acid, and microcine J25 + reuterin + lactic acid) showed significant activity against Salmonella enterica subsp. enterica serovar Newport ATCC 6962 (FIC index = 0.5). Two other combinations (pediocin PA-1 + citric acid + lactic acid, and reuterin + citric acid + lactic acid) showed partially synergistic effect against Listeria ivanovii HPB28 (FIC index = 0.75). The second specific objective was to evaluate the gastrointestinal stability of reuterin using an in vitro simulated digestion conditions in humans. Furthermore, the hemolytic activity, and in vitro cytotoxicity of reuterin using neutral red assay and lactate dehydrogenase (LDH) release assays were determined on assay on the Caco-2 cell line. Reuterin was observed to be very stable biologically during gastrointestinal transit. Moreover, exposure of Caco-2 cells to different concentrations of reuterin showed no negative effect on cell viability or membrane integrity at concentrations up to 1080 mM. In addition, no hemolysis was observed on erythrocytes exposed to concentrations up to 270 mM of reuterin. As a result, this study demonstrated that reuterin can be safely used at concentrations up to 270 mM, in various applications. The third objective was to assess the gastrointestinal stability and activity of microcin J25, pediocin PA-1, bactofencin A and nisin using in vitro models. In addition, the cytotoxicity and hemolytic activity of these bacteriocins were studied on Caco-2 cells and rat erythrocytes, respectively. According to the results, pediocin PA-1, bactofencin A and nisin were degraded at different levels during gastrointestinal transit, while microcin J25 was only partially degraded. Moreover, bacteriocins did not show cytotoxic effects on Caco-2 cells at concentrations up to 400 µg/mL. Finally, pediocin PA-1, bactofencin A, and nisin at concentrations higher than 50 µg/mL showed hemolytic potential, while microcin J25 did not cause hemolysis. In the fourth objective, the dermal toxicity of reuterin, microcin J25, pediocin PA-1, bactofencin A and nisin Z was studied in vitro using neutral red and LDH release assays on NHEK cells. The skin sensitization and irritation potentials of these bacteriocins and reuterin were also determined using the h-CLAT test and the human epidermal model EpiDerm ™, respectively. The results demonstrated that exposure of NHEK cells to these bacteriocins and reuterin at concentrations up to 400 µg/mL and 80 mg/mL, respectively, did not induce any cytotoxic effect. Inaddition, microcin J25 and reuterin showed no skin sensitization at concentrations up to 100 µg/mL and 40 mg/mL, respectively, while pediocin PA-1, bactofencin A and nisin Z caused sensitization at concentrations higher than 100 µg/mL. Tissue viability was not affected in the presence of bacteriocins and reuterin at concentrations up to 200 µg/mL and 40 mg/mL, respectively. Taken together, these results showed that certain bacteriocins and reuterin could be safely incorporated as an antimicrobial ingredient in various topical preparations intended for human and animal applications. Finally, the last chapter of the thesis was devoted to the development and characterization of different antimicrobial hydrogels based on bacteriocins or reuterin. Reuterin, pediocin PA-1, microcin J25 were incorporated into hydrogel formulations developed from biopolymers; chitosan (1.5%, 2.5%) or carboxymethyl cellulose (CMC, 3, 5%). The developed hydrogels were characterized in terms of general appearance, viscosity, antimicrobial activity, and stability during storage at room temperature. The results showed that the 1.5% and 2.5% chitosan containing microcin J25 or pediocin PA-1 have significant inhibitory activity throughout the storage period. The inhibitory effect of microcin J25 and reuterin in the 3% and 5% CMC hydrogels remained unchanged while the pediocin PA-1 added to the 3% and 5% CMC hydrogels totally lost its activity after one week. In terms of viscosity, the addition of antimicrobials to the hydrogels did not affect their viscosity and all formulations remained stable during the four weeks of storage. The results suggested that the formulas developed have great potential for application as sanitizer in the food, medical and veterinary sectors. In conclusion, this thesis has generated unique results on the gastrointestinal behavior, biological activity, stability, and toxicity of several bacterial drived antimicrobials including different bacteriocins and reuterin. Different in vitro models were adopted for this study. The results obtained are very relevant and are essential for the approval process of these natural compounds by the various regulatory agencies for different applications in food, medical or veterinary sector.

L’augmentation et la propagation alarmante de la résistance aux antibiotiques chez les bactéries pathogènes sont devenues un problème important de santé publique. Pour surmonter cette situation inquiétante, il y a un besoin croissant de nouveaux agents antimicrobiens avec des modes d’action innovants. La grande majorité des espèces bactériennes utilisent des peptides pour se défendre et se protéger contre d’autres microorganismes dans leur environnement. Ces peptides antimicrobiens possèdent des spectres d’activité et modes d’action très variés et représentent une source très intéressante pour découvrir et développer des agents antibactériens efficaces. L’objectif du projet consistait à faire le design et la synthèse d’analogues du peptide antimicrobien microcine J25 pour effectuer des études structure-activité et mieux comprendre les modes d’action. Comme la microcine J25 possède une structure particulière en lasso et extrêmement difficile à reproduire de façon synthétique, la stratégie était de faire le design par approche computationnelle d’analogues capables de mimer la structure de la microcine J25 sans passer par le lasso. Après leur synthèse, ces analogues ont été utilisés dans une étude structure-activité pour mieux comprendre l’impact de la structure sur le mode d’action et identifier les parties de la microcine J25 qui sont impliquées dans le transport et les interactions avec les cibles bactériennes. / The increasing and alarming spread of antibiotic resistance by pathogenic bacteria have become an important public health problem. To overcome this worrying situation, there is a growing need for new antimicrobial agents with innovative modes of action. The vast majority of bacterial species use peptides to defend and protect themselves against other microorganisms in their environment. These antimicrobial peptides possess a wide range of activity spectra and modes of action and are a very good source to discover and develop effective antimicrobial agents. The objective of this project was to design and synthesize analogues of the antimicrobial peptide microcin J25 to perform structure-activity studies for a better understanding of its modes of action. As the microcin J25 has a particular lasso structure that is extremely difficult to replicate synthetically, the strategy was to design by computational approach analogues capable of mimicking the microcin J25’s structure without the lasso topology. After synthesis, these analogs were used in a structure-activity study to better understand the impact of the structure on the mode of action and identify parts of the microcin J25 that are involved in the transport and interactions with bacterial targets.

Lors de travaux antérieurs, un bio-ingrédient permettant la bioconservation du saumon fumé à froid et ayant une forte activité anti-Listeria fut développé et caractérisé. Il consiste en un milieu de culture fermenté par C. divergens M35 et contenant la bactériocine produite par la souche, soit la divergicine M35. Par contre, les conditions de production actuelles ne permettent pas une utilisation efficace et rentable de ce bio-ingrédient. L'objectif de ce travail est de répondre à ces problématiques. Dans un premier temps, un milieu de culture de grade alimentaire favorisant une forte et rapide croissance de C. divergens M35 et stimulant la production de la divergicine a été développé. Un criblage de différentes sources d'azote, de carbone et de sels a permis de déterminer que la mélasse de canne et le sucre de table (saccharose) sont les sources de carbone de choix, la source d'azote préférentielle reste l'extrait de levure et que l'acétate de sodium stimule la production en bactériocines. Ce milieu fut testé en fermenteur de 30L afin d'évaluer l'effet de la mise à l'échelle. Le milieu créé permet d'atteindre une biomasse de 9,04 log(UFC/mL) et une activité de 1,3X10⁵ AU/mL en 7h. Il s'agit d'une amélioration significative quant à la performance, mais aussi au coût du milieu de culture (0,89$/L) en comparaison à la référence, le milieu MRS (7$/L). Dans un deuxième temps, il a été démontré que le séchage par atomisation est bien plus efficace que la lyophilisation afin de produire un bio-ingrédient biologiquement stable. Le séchage par atomisation permet d'obtenir un bio-ingrédient sec possédant une viabilité de 9,85 log(UFC/g) et une activité anti-Listeria de 1,6X10⁶ AU/g. Ce procédé permet d'avoir une production rentable du bio-ingrédient M35.

La divergicine M35 est un peptide antimicrobien produit par une souche d'origine marine de Carnobacterium divergens M35 (C. divergens M35) et ayant une activité inhibitrice très marquée contre Listeria monocytogenes (L. monocytogenes). L'étude de son mode d'action est nécessaire à l'optimisation de son utilisation comme agent de bioconservation de certains aliments ainsi que son acceptation par l'industrie alimentaire. Afin de décrypter son mécanisme d'action, des mutants résistants à la divergicine M35 ont été développés à partir d'une souche alimentaire de L. monocytogenes LSD530 (DivM ou vD) par exposition progressive de la souche sauvage (DivS) à différentes concentrations. DivM présente une fréquence de mutation de 4xlO-2 et son phénotype de résistance est stable après 50 générations. Le profil de croissance de DivM montre plus de résistance aux lysozymes et/ou bactériocines par rapport à la souche sauvage de L. monocytogenes LSD530. Aucune différence du profil plasmidique et protéinique n'a pu être notée entre le mutant et la souche sauvage. L'étude des conséquences biologiques de la divergicine M35 (5ug/ml) sur les souches de DivS et DivM a permis de démontrer que la divergicine M35 induit la mort de la cellule par une lyse cellulaire accompagnée de l'hydrolyse d'ATP et d'un flux de potassium. L'étude de l'interaction cytologique entre la divergicine M35 et des membranes synthétiques (liposomes) a montré que la divergicine M35 n'interagit pas nécessairement avec une cible membranaire protéique spécifique. Il semble qu'une interaction électrostatique entre la divergicine M35 et la membrane est nécessaire pour causer des dommages cellulaires. D'autres mutants ont été développés contre des bactériocines de classe Ha (pédiocine PA-1 (vP) et thermophilicine B (vB)), et des bactériocines de classe I (nisine A (vA) et nisine Z (vZ)), afin de comparer leurs mécanismes de résistance avec celui de la divergicine M35. Tous les mutants développés présentent des différences au niveau du profil de croissance, de production d'acide lactique, et de l'efflux de potassium par rapport à la souche sauvage. Ces mutants présentent aussi des différences au niveau de leur sensibilité à différents antibiotiques, qui laisse présager une modification de la composition de la membrane cellulaire. L'analyse de la composition de la membrane chez tous les mutants développés montre un contenu plus élevé en acide gras saturés (C16:0 et C18:0) et un teneur plus faible en acides gras insaturés (C18:2 et C22:5) par rapport à la souche sauvage. Cette modification dans la composition de la membrane des mutants la rend plus rigide et limite les échanges des nutriments entre les milieux extra- et intracellulaire. L'étude de la résistance croisée (bactériocines/mutants) permet de conclure qu'une utilisation combinée des deux classes de bactériocines I et Ha serait nécessaire afin de limiter le développement et l'émergence des variants résistants. Finalement, une étude comparative du mode d'action des bactériocines et celui des toxines a montré que la divergicine M35 agit sur les canaux potassiques (canaux K+ ) voltage dépendants (Kv) de même que ceux activés par Ca2+ (Kca) entraînant une augmentation du flux potassique. / Divergicin M35 is an antimicrobial peptide produced by Carnobacterium divergens M35 (C. divergens M35), with a potential activity against Listeria monocytogenes (L. monocytogenes). The study of the mode action of divergicin M35 was necessary to optimise its use as a bio-conservation agent and its acceptance by the food industry. Mutant (DivM) of L. monocytogenes LSD53O was developed by a progressive exposition of the wild type strain of L. monocytogenes LSD530 (DivS) to different concentrations of divergicin M35. DivM was stable after 50 generations and its resistance frequency was estimated at 4.10"2 . No difference in total DNA and total protein profile was observed between the DivM and DivS strains. The biological conséquences of divergicin M35 on DivS and DivM strains were studied. Divergicin M35 presents an inductive effect on cellular autolysis, hydrolysis of ATP and potassium efflux. Divergicin M35 interacts with cell membrane in absence of a protein receptor probably involving electrostatic interaction. In this study, variants resistant to nisin A (vA), nisin Z (vZ), pediocin PA-1 (vP), and thermophilicin B (vB) were developed from sensitive DivS strains. Differences in acidogenous capacity, potassium efflux and growth rate were observed between DivS and ail resistant mutants. Bacteriocin resistance acquirement appeared to substantially affect the antibiogram profile of ail variants resistant strains which correlated with the compositional changes in their cell-membrane. Resistant mutants present a higher content of saturated fatty acid (Cl6:0 and Cl8:0) and a lower content of unsaturated fatty acid (Cl8:2 and C22:5) compared to the wild type stain. The cell membrane modification increases the membrane rigidity and reduces nutrients exchange between extra- and intracellular medium. The study of cross resistance between bacteriocin and mutant strains indicated that the use of combined classes I and Ha bacteriocin can limit the development of resistant strains. The comparison of the mode action of divergicin M35 and different toxins on potassium channel showed that divergicin M35 interacts with both voltage and calcium dependent potassium channel resulting in an increase of potassium efflux and consequently the amplification of inhibitory activity.

La microcine J25 (MccJ25), une bactériocine en forme de lasso synthétisée par Escherichia coli et ayant une activité inhibitrice contre Salmonella, a été produite et purifiée d’un surnageant d’E. coli pTUC202. La stabilité et l’activité biologique de cette bactériocine au niveau gastro-intestinal, ainsi que son impact sur l’équilibre du microbiote colique, ont été étudiés à l’aide d’un système de fermentation en continu avec cellules immobilisées reproduisant les conditions physiologiques et microbiologiques du côlon. L’analyse par qPCR du microbiote colique n’a révélé aucun effet significatif sur l’équilibre du microbiote de la MccJ25 lorsqu’elle est ajoutée à 0,4, 2 et 5 μM. Des tests d’activité antibactérienne ont démontré que la MccJ25 reste active contre Salmonella enteritidis dans les conditions coliques testées. Ces résultats suggèrent un fort potentiel d’utilisation de la MccJ25 comme alternative aux antibiotiques aussi bien chez l’animal que chez l’humain. / Microcin J25 (MccJ25) is a lasso-shaped bacteriocin with an antibacterial activity against Salmonella. This bacteriocin was produced and purified from the supernatant of Escherichia coli pTUC202. Its stability and biological activity in the gastrointestinal tract as well as its impact on the colonic microbiota equilibrium were studied using a continuous fermentation system with immobilized fecal microbiota simulating the physiological and microbiological conditions of the colon. Analysis of colonic microbiota by qPCR revealed no significant effect of MccJ25 on microbiota equilibrium at concentrations of 0.4, 2 et 5 μM. Antibacterial activity assays demonstrated that MccJ25 remains active against Salmonella enteritidis in the tested colonic conditions. These results are highly promising for the use of MccJ25 as an alternative to antibiotics in animals as well as in humans.

Le but de ce projet consistait à développer des produits antimicrobiens naturels à base de bactériocines de bactéries lactiques et d'évaluer leur potentiel pour la biopréservation des produits marins prêts à consommer. Dans un premier temps, une nouvelle bactériocine de classe lia, la divergicine M35 produite par Carnobacterium divergens isolée de moules fumées, a été purifiée et caractérisée sur le plan biochimique et moléculaire. La divergicine M35 possède une séquence de 43 acides aminés et une masse moléculaire de 4518.75 Da. Elle possède un pouvoir anti-Listeria marqué contre de nombreuses souches de Listeria monocytogenes. À l'inverse, elle demeure inactive contre des souches de Lactococcus, Lactobacillus, Enterococcus, Bifldobacterium et Escherichia. Par la suite, les paramètres de production de la divergicine ont été déterminés dans un milieu de grade alimentaire à base d'hépatopancréas de crabe des neiges, un sous-produit de l'industrie halieutique. D'une part, les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence le potentiel du milieu hépatopancréas de crabe à permettre la croissance de G divergens M35 aux températures de réfrigération. D'autre part, une production de divergicine M35 satisfaisante et comparable au milieu MRS7m a été obtenue dans les mêmes conditions expérimentales. En dernier lieu, différentes stratégies d'addition de la divergicine M35 (culture productrice, divergicine M35 pure ou sous forme de bio-ingrédient actif issu du surnageant de culture concentré du milieu hépatopancréas de crabe) ont été comparées afin de valider l'activité anti-Listeria de la divergicine M35 dans le saumon fumé à froid entreposé à 4°C durant 21 jours. Un effet antimicrobien supérieur sur L. monocytogenes a été obtenu dans les filets contenant G divergens M35 après 10 jours d'entreposage, comparativement à ceux traités avec la divergicine pure ou le bio-ingrédient. G divergens M35 n'a causé aucune altération des caractéristiques organoleptiques et sensorielles des filets de saumon par rapport aux filets témoins non-inoculés. Aussi, les niveaux de bases azotées volatiles totales et d'aminés biogènes étaient inférieurs à la norme permise en fin de période de conservation. Ainsi, ce projet de recherche a démontré le potentiel d'application de la divergicine M35 pour la bio-préservation des produits marins prêts à consommer envers L. monocytogenes . / The aim of this research was to develop natural food-grade bacteriocins as antimicrobial ingredients and to evaluate their bio-preservative potential against Listeria monocytogenes in ready-to-eat seafood. Carnobacterium divergens M35 was isolated from a commercial sample of frozen smoked mussels and was shown to produce a new class Ha bacteriocin named divergicin M35. The purification procedure allowed the recovery of 10% of the bacteriocin present in the culture supernatant with purity higher than 99%. Divergicin M35 had a molecular mass of 4518.75 Da and an amino acid sequence of 43 amino acids. It showed powerful anti-listerial activity, especially against numerous isolates of L. monocytogenes but not against strains of Lactococcus, Lactobacillus, Enterococcus, Bifidobacteria and Escherichia. The optimal parameters for the growth of C. divergens M35 and the production of divergicin M35 were then determined in various synthetic media and in snow crab hepatopancreas-based medium, a natural food grade by-product of crustacean processing. Snow crab hepatopancreas-based medium allowed growth of C. divergens M35 and divergicin M35 production, especially at refrigerated temperatures.The obtained results suggest that snow crab hepatopancreas-based medium could replace the more expensive MRS successfully for the production of food-grade bacteriocins, especially those produced by fish-acclimatized bacteria. Afterwards, purifïed divergicin M35, divergicin M35 bio-ingredient or C. divergens M35-producing divergicin strain were applied on cold-smoked wild salmon fillets to evaluate and compare their potential to inhibit the growth of L. monocytogenes during 21 days at 4°C. An increased reduction in L. monocytogenes viable count was obtained with C. divergens M35 treated samples till 10 days of storage as compared to purifïed divergicin M35 or divergicin bio-ingredient. Compared with un-inoculated samples, the addition of C. divergens M35 did not affect color and texture of salmon fillets throughout the storage period. Total volatile base nitrogen and levels of biogenic amines remained below the maximum acceptable in fish appreciation. Overall, the results of this study showed clearly the potential application of C. divergens M35 culture as well as divergicin M35 bio-ingredient for the inactivation of L. monocytogenes in ready-to-eat seafood.