Streptococcus pneumoniae est une bactérie à la fois commensale et pathogène opportuniste chez l’humain. Elle est responsable de nombreuses infections telles que la pneumonie, la méningite, l’otite moyenne et la sinusite. En maladie infectieuse, S. pneumoniae occupe une place importante en tant que l’une des principales causes de morbidité et de mortalité dans le monde. Elle est dotée de plusieurs capacités fascinantes, comme la compétence naturelle pour l’aider à résister aux antibiotiques et la grande diversité des sérotypes capsulaires pour contourner la vaccination. Puisque la résistance aux antibiotiques ne cesse de menacer l’efficacité des thérapies standards, la thérapie par phage est maintenant reconsidérée comme une des alternatives thérapeutiques. La réévaluation des phages fait renaitre l’espoir thérapeutique, mais sans élucider leur mécanisme d’interaction et décortiquer leur mystère cet espoir restera modeste. Ce projet de doctorat consiste à mieux comprendre les phages infectant S. pneumoniae et les interactions phage-hôte. Dans un premier temps, le potentiel des pneumophages à infecter Streptococcus mitis, une espèce phylogénétiquement proche de S. pneumoniae, a été mis en évidence. Deux pneumophages se sont avérés les premiers phages virulents capables d’infecter S. mitis, bactérie pathogène responsable d’endocardite. Les deux phages pouvaient non seulement se répliquer dans S. mitis mais également produisent des plages de lyses plus visibles. Ensuite, la comparaison du génome des phages a confirmé que le changement de l’hôte n’induit aucune variation aux génomes des phages testés. Cependant, plusieurs mutations ont été observées dans la séquence génomique du podophage sauvage et il a fait ensuite l’objet d’une nouvelle annotation. Dans un deuxième temps, l’étude des interactions phage-hôte chez S. pneumoniae a été approfondie. Pour ce faire, l’implication de plusieurs facteurs de l’hôte dans la réplication des pneumophages a été étudiée. Plusieurs gènes pneumococciques se sont avérés nécessaires ou impliqués pour assurer l'efficacité de la réplication des phages seuls ou en cocktail. D’un autre côté, en étudiant ces facteurs de l’hôte, des gènes/ protéines potentiellement essentiels à la viabilité de S. pneumoniae ont été identifiés. Cette étude a aussi permis d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques et donne un nouvel aperçu du réseau complexe des interactions phage-hôte. / Streptococcus pneumoniae is a commensal and opportunistic pathogen bacterium, exclusively found in humans. It is the main agent of many infections such as pneumonia, meningitis, otitis media and sinusitis. S. pneumoniae infections are a major cause of morbidity and mortality worldwide. S. pneumoniae has several fascinating abilities, such as natural competence to facilitate the acquisition of antibiotic resistance genes and diversity of capsular serotypes to circumvent the vaccination. The rise of antibiotic resistant bacteria continues to threaten the effectiveness of standard therapies and as such phage therapy is now reconsidered as a therapeutic alternative. The reevaluation of phages as therapeutic agents must go through a better understanding of phage-bacterium interactions. This PhD thesis aims to better understand S. pneumoniae virulent phages and phage-host interactions. First, the ability of pneumophages to infect Streptococcus mitis, a species phylogenetically related to S. pneumoniae, was demonstrated. The pneumophages are the first two virulent phages able to infect this pathogenic bacterium, the common cause of bacterial endocarditis. Both pneumophages could not only replicate in S. mitis but also produced more visible plaques on this host. The comparison of the genomes of each phage grown on both hosts produced identical nucleotide sequences, confirming that S. mitis as a host does not induce any nucleotide variation. However, the genomic sequence of wild-type podophage was different than the previously reported sequence and it was the subject of a new annotation. In addition, S. pneumoniae phage-host interactions were investigated. The involvement of several host factors in replication of both pneumophages was observed. Indeed, several pneumococcal genes were found to be necessary or involved to ensure efficient phage replication. Moreover, the study of these host factors has led to the identification of new genes that appear to be essential for viability and normal growth of S. pneumoniae. This project led to identify new potential therapeutic targets and provided new insight into the complex network of phage-host interactions.

Cette thèse comprend deux sujets. La première partie est en termes de système de défense bactérien. Les procaryotes et les eucaryotes possèdent des gènes de résistance dans leur génome, qui peuvent être soit innés soit acquis, protégeant contre les infections virales. Au niveau de la population, l'infection abortive (Abi) sert de mécanisme de défense immunitaire inné contre l'invasion par le phage. Les gènes antiviraux AbiV sont prévalents dans les génomes bactériens et présentent des caractéristiques diverses en termes d'évolution et de composition génomique. Les systèmes Abi sont considérés comme des traits altruistes, car les cellules infectées se suicident pour empêcher le cycle lytique du phage et protéger leur communauté. La protéine AbiV appartient à la super famille de liaison aux nucléotides des eucaryotes et des procaryotes (HEPN) et peut fonctionner comme un type d'endoribonucléase. On peut la trouver dans de nombreuses bactéries, dont *Lactococcus lactis, L. paracamosus, Streptococcus pneumoniae* et *Streptococcus oralis*. Dans cette étude, nous avons utilisé le système AbiV de *Lactococcus lactis* non pathogène comme organisme modèle, qui confère une résistance aux phages lactococciques virulents du genre Skunavirus. Cependant, la protéine AbiV a une séquence unique, et aucun homologue structurel est connu. De plus, le mécanisme moléculaire de son activité antiphage reste flou. Notre exploration du système AbiV de *Lactococcus* a révélé un nouveau duo : *abiV1* et *abiV2*, des acteurs essentiels dans son rôle de système de toxine-antitoxine de type III. La toxine, AbiV (encodé par *abiV1*), émerge comme une RNase au sein de la super famille HEPN, distinguée par le motif Rx$\mathsf{_{4-6}}$H. À travers des essais *in vivo* et de la spectrométrie de masse, nous avons observé l'expression d'AbiV indépendamment de la présence de phages, tandis que des expériences *in vitro* ont élucidé sa dégradation sélective de l'ARN ribosomal, laissant l'ARNm intact. En revanche, *abiV2*, le composant antitoxine, fonctionne comme une molécule d'ARN, contrecarrant l'activité nucléase de AbiV1. L'examen structural d'AbiV révèle une zone chargée positivement à travers son dimère, cruciale pour l'ancrage des molécules d'ARN. De plus, notre investigation souligne le rôle indispensable de la région N-terminale d'AbiV (acides aminés 1 à 23) dans son activité de RNase ; un AbiV tronquée et dépourvue de ce segment a présenté des états conformationnels incompatibles avec la liaison à l'ARN. Cette étude offre de nouvelles perspectives sur la dynamique opérationnelle du système antiviral AbiV. La deuxième partie : les endolysines. L'étude des endolysines de bactériophages. Les endolysines, également connues sous le nom d'enzymes muralytiques ou lysines, sont une classe d'enzymes produites par les bactériophages (virus qui infectent les bactéries) dans le cadre de leur cycle de réplication. Ces enzymes jouent un rôle crucial dans le cycle de vie des phages en facilitant la libération des nouvelles particules virales formées à partir des cellules bactériennes hôtes. La fonction principale des endolysines est de dégrader la couche de peptidoglycane, qui est un composant structurel majeur des parois cellulaires bactériennes. La couche de peptidoglycane fournit intégrité structurelle et protection aux cellules bactériennes, et sa dégradation par les endolysines conduit à la lyse ou à la désintégration de la paroi cellulaire. Cela entraîne finalement l'éclatement de la cellule bactérienne et la libération des particules phagiques nouvellement répliquées, leur permettant d'infecter et de se propager dans d'autres cellules bactériennes. Les endolysines se composent généralement d'un ou plusieurs domaines fonctionnels qui travaillent ensemble pour dégrader la couche de peptidoglycane des parois cellulaires bactériennes. Ces domaines contribuent à la structure et à la fonction globales de l'enzyme. Les domaines spécifiques présents dans une endolysine peuvent varier en fonction du phage et de l'hôte bactérien qu'ils ciblent. Dans cette étude, nous avons exploré l'activité lytique et les caractéristiques structurelles de deux endolysines : DAH67913.1 (DAH67), provenant du groupe de bactériophages *Caudoviricetes* sp. identifié à partir des métagénomes humains, et son homologue proche Lys1358, qui utilise *Lactococcus lactis* comme hôte. Notre analyse par cristallographie a révélé des similitudes remarquables dans les structures des deux endolysines, caractérisées par une architecture partagée comprenant un domaine CHAP enzymatiquement actif à l'extrémité N-terminale et un domaine de liaison à la paroi cellulaire, SH3b, à l'extrémité C-terminale. Notamment, contrairement aux autres domaines CHAP, ceux de Lys1358 et DAH67 étaient dépourvus de calcium lié, ce qui a conduit à l'observation sans précédent de conformations inactives distinctes en raison de l'absence de stabilisation d'un motif de type "EF-hand" par cet ion. Ces découvertes apportent un nouvel éclairage sur le rôle régulateur du calcium au niveau moléculaire. De plus, nous avons observé que le Zn2+ inhibe l'activité lytique en se liant aux résidus catalytiques C29 et H89 au sein du domaine CHAP. En outre, nos analyses structurelles ont fourni des informations sur la façon dont le domaine SH3b reconnaît le dipeptide D-Ala-D-Ala, un composant vital du peptidoglycane de la paroi cellulaire de *L. lactis*, à travers des interactions conservées. Les études de mutation ont en outre corroboré l'importance des résidus catalytiques et de la poche de liaison au D-Ala-D-Ala dans la fonctionnalité de ces endolysines. De plus, notre comparaison du mode de liaison de la vancomycine avec le motif D-Ala-D-Ala du peptidoglycane a révélé des mécanismes de reconnaissance distincts employés par le domaine SH3b et les antibiotiques glycopeptidiques. Collectivement, nos découvertes offrent de nouvelles perspectives sur les relations structure-fonction complexes inhérentes à cette famille d'endolysines, fournissant des informations précieuses sur leurs mécanismes d'action et leurs applications potentielles en biotechnologie et en médecine. / **This thesis includes two stories.** **Part 1.** Prokaryotes and eukaryotes possess resistance genes in their genomes, which can be either innate or acquired, protecting against viral infections. At the population level, abortive infection (Abi) serves as one such innate immune defense mechanism against phage invasion. The AbiV antiviral system is prevalent in many bacterial genomes and exhibits diverse characteristics in terms of evolution and genomic composition. Abi systems are considered altruistic traits, as infected cells commit suicide to prevent the phage lytic cycle and protect their community. The protein AbiV belongs to the higher eukaryotic and prokaryotic nucleotide-binding (HEPN) superfamily and may function as a type of endoribonuclease. It can be found in many bacteria, including *Lactococcus lactis, Lacticaseibacillus paracamosus, Streptococcus pneumoniae* and *Streptococcus oralis*. In this study, we used the non-pathogenic *Lactococcus lactis* AbiV system as a model organism, which provides resistance to virulent lactococcal phages belonging to the Skunavirus genus. However, the AbiV protein has a unique sequence, and no structural homologs is available to date. The molecular mechanism of its anti-phage activity also remains unclear. Our exploration of the *Lactococcus* AbiV system has unveiled a novel duo: *abiV1* and *abiV2*, pivotal players in their role as a type III toxin-antitoxin system. The toxin, AbiV (encoded by *abiV1*), emerges as an RNase within the HEPN superfamily, distinguished by the Rx$\mathsf{_{4-6}}$H motif. Through *in vivo* assays and mass spectrometry, we observed AbiV expression irrespective of phage presence, while *in vitro* experiments elucidated its selective degradation of ribosomal RNA, leaving mRNA untouched. Conversely, *abiV2*, the antitoxin component, functions as an RNA molecule, thwarting AbiV's nuclease activity. Structural examination of AbiV reveals a significant positively charged area across its dimer, pivotal for RNA molecule anchoring. Furthermore, our investigation underscores the indispensable role of the N-terminal region (amino acids 1 to 23) of AbiV in its RNase activity; a truncated AbiV lacking this segment exhibited conformational states incompatible with RNA binding. This study offers fresh insights into the operational dynamics of the antiviral AbiV system. **Part 2.** **The study of bacteriophage endolysins**. Endolysins, also known as lysins, are a class of enzymes produced by bacteriophages as part of their replication cycle. These enzymes play a crucial role by facilitating the release of newly formed viral progeny from the host bacterial cells. The primary function of endolysins is to degrade the peptidoglycan layer, which is a major structural component of bacterial cell wall. The peptidoglycan layer provides structural integrity and protection to bacterial cell, and its breakdown by endolysins leads to the lysis or disintegration of the cell wall. This ultimately results in the bursting of the bacterial cell and the release of newly phage particles, allowing them to infect and propagate in other bacterial cells. Endolysins typically consist of functional domains that work together to degrade the peptidoglycan layer. These domains contribute to the enzyme's overall structure and function. The specific domains present in an endolysin can vary depending on the phage and the targeted bacterial host. In this study, we explored the lytic activity and structural characteristics of two endolysins: DAH67913.1(DAH67), originating from a bacteriophage (*Caudoviricetes* class) identified in human metagenomes, and its close homolog Lys1358, from the virulent phage 1358 which infects specific Lactococcus strains. Our analysis using crystallography unveiled remarkable similarities in the structures of both endolysins, characterized by a shared architecture featuring an enzymatically active N-terminal CHAP domain and a C-terminal cell-wall binding domain, SH3b. Notably, unlike other CHAP domains, those of Lys1358 and DAH67 were devoided of bound calcium, resulting in the unprecedented observation of distinct inactive conformations due to the absence of stabilization of an "EF-hand-like" motif by this ion. These findings shed new light on the regulatory role of calcium at the molecular level. Moreover, we observed that Zn$\mathsf{^{2+}}$ inhibited the lytic activity by binding to the catalytic residues C29 and H89 within the CHAP domain. Additionally, our structural analyses provided insights into how the SH3b domain recognizes the dipeptide D-Ala-D-Ala, a vital component of the lactococcus cell wall peptidoglycan, through conserved interactions. Mutation studies further corroborated the significance of catalytic residues and the D-Ala-D-Ala binding pocket in the functionality of these endolysins. Furthermore, our comparison of the binding mode of vancomycin with the peptidoglycan D-Ala-D-Ala moiety revealed distinct recognition mechanisms employed by the SH3b domain and glycopeptide antibiotics. Collectively, our findings offer novel perspectives on the intricate structure-function relationships inherent in this family of endolysins, providing valuable insights into their mechanisms of action and potential applications in biotechnology and medicine.

L'émergence de la résistance aux antibiotiques représente un risque grandissant, tant au niveau de la santé animale qu'humaine. Afin de répondre à cette problématique, plusieurs options sont présentement à l'étude par la communauté scientifique, dont l'utilisation de phages comme une alternative ou un complément aux antibiotiques. Avant que ces virus bactériens ne soient une solution viable à long terme, plusieurs défis devront être relevés, dont la production optimale des phages ainsi que leur conservation et distribution. Il est également essentiel de bien comprendre le fonctionnement de ces virus et leurs interactions avec les bactéries afin de limiter l'émergence de bactéries résistantes aux phages. Le phage de Salmonella S16, un phage virulent ayant un large spectre lytique, a été étudié afin de maximiser le rendement lors de sa production. Des titres supérieurs à 1x10¹⁰ UFP/mL ont pu être obtenus de manière constante en variant la charge virale, la charge bactérienne et la multiplicité d'infection. L'atomisation des phages S16 et Felix-O1 a par la suite été réalisée afin d'obtenir une poudre concentrée de phages, facilitant l'entreposage et la distribution de ces derniers. Ensuite, des bactéries résistantes aux phages ont été générées via un cocktail de trois phages virulents (Felix-O1, 16-19 et 9 heidelberg). Les génomes de ces bactéries mutantes ont par la suite été séquencés et analysés dans le but d'identifier le mécanisme utilisé par Salmonella pour se protéger contre l'infection par ces phages. Finalement, une interaction phage-hôte peu connue, la pseudolysogénie, a été observée et analysée chez le phage S16. L'analyse protéomique via la spectrométrie de masse a permis de déterminer trois protéines du phage qui sont surexprimées lors de la pseudolysogénie comparativement à un cycle d'infection normal. Ces protéines phagiques pourraient être reliées à la régulation ou au mécanisme menant à la pseudolysogénie. / The emergence of antibiotic resistance in several pathogenic bacteria is currently a significant risk, both in animal and human health. To manage this issue, several options are currently being explored by the scientific community, including the use of phages as alternatives or complements to antibiotics. Before those bacterial viruses are seen as a long-term viable option, several challenges remain, including the optimization of phage production as well as their conservation and distribution. It is also critical to understand how these viruses work and how they interact with their bacterial hosts to limit the emergence of phage-resistant bacteria. The Salmonella phage S16, a virulent phage with a broad host range, was studied to maximize its yield during production. Titers greater than 1x10¹⁰ PFU/mL were routinely obtained by varying the viral load, the bacterial load, and the multiplicity of infection. Spray drying of phages S16 and Felix-O1 was then carried out to manufacture a concentrated phage powder, facilitating storage and distribution. Then, phage resistant Salmonella bacteria were generated using a cocktail of three virulent phages (Felix-O1, 16-19 and 9 heidelberg). The genome of these bacterial mutants was sequenced and analyzed to better understand the mechanism used by Salmonella to protect itself against phage infection. Finally, a poorly described phage-host interaction phenomenon, the pseudolysogeny, has been observed with phage S16. Proteomic analysis via mass spectrometry identified three phage proteins that are overexpressed during pseudolysogeny compared to a normal lytic cycle. These proteins could be linked to the regulation, or the mechanism involved in pseudolysogeny.

Titre de l'écran-titre (visionné le 23 novembre 2023) / Les bactéries lactiques sont indispensables pour la production de produits laitiers fermentés comme le fromage. Les espèces bactériennes Lactococcus lactis et Lactococcus cremoris sont les plus utilisées par l'industrie laitière. Cependant, la fermentation peut être ralentie par des bactériophages. Ils se multiplient via un cycle lytique débutant par leur adsorption à la surface cellulaire. Toutefois, l'adsorption ne mène pas toujours à l'infection dû à la présence de mécanismes de défense contre les phages chez certaines souches bactériennes. Ce phénomène est peu étudié puisque les essais classiques d'adsorption virale nécessitent beaucoup de ressources et les résultats obtenus peuvent être variables et ambigus. L'objectif général de ce projet consistait à explorer l'utilisation de la fluorescence pour optimiser les essais d'adsorption virale. Ainsi, cinq phages infectant des lactocoques et appartenant aux trois principaux groupes (Skunavirus, Ceduovirus et P335) isolés dans les usines laitières ont été sélectionnés afin d'adapter les protocoles à une diversité de phages. D'abord, le protocole classique d'adsorption virale a été utilisé pour cinq phages sur leur souche bactérienne hôte et sur une souche insensible, suspectée de bloquer l'adsorption. Un protocole de microscopie à fluorescence a ensuite été mis au point en utilisant le SYBR Gold pour marquer l'ADN viral et le rouge du Nil pour les membranes bactériennes. Cette méthode a permis une analyse qualitative efficace de l'adsorption des cinq phages et qui concordait avec les résultats obtenus par la méthode classique. Finalement, une méthode a été développée pour réaliser des essais d'adsorption en plaque 96 puits, afin de quantifier l'adsorption des phages sur plusieurs souches bactériennes en un seul essai. L'ajout de la fluorescence a aussi été tenté pour faire ces essais d'adsorption à un plus haut débit. Toutefois, la spécificité du fluorophore et la sensibilité du lecteur de plaque ne conviennent pas au contexte des tests d'adsorption. / Lactic acid bacteria are indispensable to produce fermented milk products, such as cheese. The bacterial species Lactococcus lactis and Lactococcus cremoris are the most used by the dairy industry. However, the fermentation process may be slowdown by the presence of lytic bacteriophages. These phages replicate through the lytic cycle that begins with their adsorption to the cell surface. However, phage adsorption does not always lead to a successful infection, due to the presence of phage defense mechanisms in some bacterial strains. This phenomenon is not often studied because classical phage adsorption assays need a lot of resources, and the results obtained are often variable and ambiguous. The general objective of this project was to explore the use of fluorescence to optimize viral adsorption assays. To do this, five lactococcal phages belonging to the three main groups (Skunavirus, Ceduovirus, and P335) isolated in cheese plants were selected to adapt the protocols to a diversity of phages. First, classical phage adsorption assays were performed with five of these phages on their host strain and on insensitive strains, suspected to block phage adsorption. A fluorescence microscopy protocol was then developed using SYBR Gold as a marker for viral DNA as well as Nile red for bacterial cell membranes. This method allowed a qualitative analysis of the adsorption of five phages on the different bacterial strains, and the results were in accordance with the ones obtained with the classical assays. Finally, a 96-well plate method was developed to quantify phage adsorption on multiple bacterial strains in a single assay. The addition of fluorescence has also been attempted to perform these phage adsorption assays at a higher throughput. However, the specificity of the fluorophore and the sensitivity of the plate reader were not suited to the context of phage adsorption tests.

Streptococcus thermophilus is a low GC gram-positive bacterium massively used for the production of fermented products such as yogurt and cheeses. Every day, the dairy industry must face virulent bacteriophages and their consequences. Recently, a genetic structure called CRISPR (for Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) was found to be present in many bacterial and archeabacterial genomes. This system, in association with Cas (CRISPR-associated) proteins, allows the bacteria to become resistant to foreign DNA, such as phage or plasmid DNA, by the acquisition of new sequence-specific spacers. During this M. Sc. project, the transcription profile of the CRISPRl-cas system of S. thermophilus was investigated. First, the phage-sensitive wild-type strain DGCC7710 and two phage-resistant CRISPR-mutants (DGCC7710<i>2972+S4 and DGCC7710*2972+S7) were infected with the virulent phage 2972. Northern blot experiments of infected cells samples taken at time intervals were performed using a series of single-stranded 5'-labeled-probes targeting the four cas genes, the CRISPR1 locus, as well as phage genes. Phage DNA replication assays of the same samples were also done. Finally, in vitro enzymatic assays were performed using Casl and Cas2 purified proteins. In the three S. thermophilus strains tested, the four cas genes and the CRISPR1 locus were constitutively transcribed. In the phage-resistant CRISPR-mutant DGCC7710<D2972+S4 , phage mRNA specific to the acquired new spacer was rapidly degraded, whereas phage mRNAs were increasingly and strongly detected in infected phage-sensitive cells (DGCC7710). Conversely, no DNA degradation was observed. The enzymatic assays revealed that Casl and Cas2 have ssRNase activity which, in the case of Casl, is specific to a A(U)C sequence. Taken altogether, the CRISPR-cos system in S. thermophilus leads to mRNA degradation of specific phage transcripts, thereby limiting phage replication. / Streptococcus thermophilus est une bactérie utilisée pour la fabrication de produits laitiers fermentes, mais elle doit constamment lutter contre les infections par de nouveaux bacteriophages virulents. Récemment, un tout nouveau mécanisme naturel de défense contre les phages a été découvert chez S. thermophilus. Les CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) sont des séquences d'ADN contenant plusieurs répétitions entrecoupées de régions appelées spacers qui proviennent d'ADN extrachromosomique. Les loci CRISPR sont habituellement situés à proximité de gènes cas (CRISPR-associated). L'acquisition d'un spacer est directement reliée à une immunité contre le phage duquel provient l'ADN de ce spacer. Au cours de ce projet de maîtrise, le mode de fonctionnement du système CRISPR-cas a été étudié par analyse transcriptionnelle des gènes cas, de régions impliquées dans le locus CRISPRl-cas ainsi que des gènes viraux chez trois souches isogéniques de S. thermophilus (DGCC7710, DGCC7710[phi]2972+S4 et DGCC7710[phi]2972+S7) en cours d'infection par le phage 2972. Des travaux ont également été faits sur la replication virale chez les trois souches. Finalement, des essais enzymatiques in vitro ont été réalisés avec deux des quatre protéines Cas dont les gènes précèdent un des loci CRISPR de la souche DGCC7710. Les résultats du projet indiquent, entre autres, que les quatre gènes cas présents chez la souche S. thermophilus DGCC7710 sont transcrits constitutivement et que l'ARNm viral est dégradé par les souches résistantes ayant acquis de nouveaux spacers, ce qui ne semble pas être observé au niveau de l'ADN. Les résultats des essais enzymatiques démontrent également que les protéines Casl et Cas2 possèdent une activité sbRNase, qui dans le cas de la protéine Casl, est spécifique à la séquence A(U)C. Les résultats démontrent que le système CRISPR-cas agit de façon à dégrader l'ARN étranger comprenant une séquence identique à un spacer acquis par une souche résistante, ce qui a pour effet direct de limiter la replication du phage.

La dispersion des virus dans l'air est un phénomène encore mal compris. La transmission par contact direct avec une personne infectée ou indirecte via des surfaces contaminées a été largement documentée, mais la littérature sur les aérosols viraux reste pauvre. L’aérosolisation de virus pathogènes requérant d’importantes mesures de biosécurité, des modèles de virus non pathogènes constitueraient des outils précieux dans l’étude des aérosols viraux. Ce projet vise le développement de modèles standardisés pour l’étude des aérosols viraux. Ainsi, des phages ont été testés comme modèles de virus eucaryotes. Pour évaluer leur résistance aux stress environnementaux et aux différents temps d’exposition, ces phages ont été aérosolisés dans une chambre rotative où ils ont été exposés à diverses conditions environnementales (humidité relative [HR], température, UV) et temps. Les résultats obtenus suggèrent que les phages choisis pourraient être de bons modèles pour l’étude du comportement des virus dans l’air. / The spread of virus in the air is a poorly understood phenomenon. Transmission by direct contact with an infected person or by indirect contact via contaminated surfaces has been widely documented, but the literature on viral aerosols remains poor. Because the aerosolization of pathogenic viruses requiring significant biosecurity measures, the availability of non-pathogenic viral models would be a valuable tool in the study of viral aerosols. The aim of this project is to develop standardized models for the study of viral aerosols. Consequently, phages were tested as models for eukaryotic viruses. To evaluate their resistance to environmental stresses and to different exposure times, these phages were aerosolized in a rotating chamber where they were exposed to various environmental conditions (relative humidity [RH], temperature, UV) and time. The results suggest that the selected phages could be good models for studying the behavior of the virus in the air.

Staphylococcus aureus et ses entérotoxines constituent un risque pour l’industrie alimentaire ainsi que pour les consommateurs. Environ la moitié des souches de S. aureus peuvent libérer des toxines menant à des symptômes de nausées, de diarrhées et de vomissements chez la personne ayant ingéré un produit contaminé. Une des solutions envisagées pour éliminer S. aureus et éviter la production d’entérotoxines, est l’utilisation d’un cocktail de phages. Au cours de ce projet de doctorat, trois objectifs ont été développés afin de poursuivre une stratégie de sélection d’un cocktail de phages anti-S. aureus. Tout d’abord, deux phages isolés du milieu laitier, adaptés à celui-ci et respectant des critères de sélection, ont été caractérisés. Ensuite, afin d’éviter un transfert de facteurs de virulence, des myophages anti-S. aureus ont été produits sur une souche de Staphylococcus xylosus, une espèce non-pathogène utilisée en transformation alimentaire et ont été caractérisés afin de confirmer leur identité lorsqu’amplifiés sur les deux espèces. D’un autre côté, l’efficacité contre une panoplie de souches de S. aureus isolées de sources distinctes, l’absence de gènes de virulence dans les génomes phagiques et la résistance à différentes conditions environnementales ont permis de sélectionner des phages différents. Ceux-ci ont fait l’objet de deux cocktails de phages efficaces menant à une réduction significative de la concentration de S. aureus dans des fromages de type Cheddar produits en laboratoire. De plus, ces phages n’ont pas déclenché une surproduction d’entérotoxines staphylococciques C, confirmant la sécurité de leur utilisation dans le milieu laitier. Enfin, la conservation des phages sous forme encapsulée et congelée dans des microbilles de gel d’alginate/calcium semble une approche à approfondir. Les phages staphylococciques virulents analysés dans cette thèse constituent d’excellents agents de biocontrôle étant non nocifs et infectant spécifiquement une espèce bactérienne donnée. Ayant confirmé l’efficacité de deux cocktails de phages, l’utilisation du produit phagique permettra de diminuer le risque d’apparition de souches bactériennes résistantes aux phages. De plus, entreprendre une mise à jour constante du cocktail phagique permettra de réduire la contamination causée par S. aureus, préservant ainsi l’innocuité et la qualité des aliments. / Staphylococcus aureus and its enterotoxins pose a risk to the food industry and for consumers. Approximately half of the S. aureus strains can release toxins leading to symptoms of nausea, diarrhea and vomiting to the person who ingests a contaminated product. One emerging solution to eliminating and preventing S. aureus enterotoxin production is the use of a phage cocktail. Through this doctoral project, three objectives were developed to pursue a strategy for selecting an anti-S. aureus phage cocktail based on well-defined criteria. First, a methodology was developed leading to the isolation and characterization of two phages from raw milk. Then, in order to avoid a transfer of virulence factors, anti-staphylococcal myophages were produced on a strain of Staphylococcus xylosus, a non-pathogenic species used in food processing. Their genomic identity when propagated separately on the two species was confirmed. Moreover, the host range of these phages was tested against a panel of S. aureus strains isolated from different sources. Their genome was analyzed to confirm the lack of virulence genes. In addition, their resistance to different environmental conditions was used to select different phages for application purposes. These data helped design two efficient phage cocktails leading to a significant drop of S. aureus concentration in small-scale laboratory-based Cheddar cheeses. In addition, they did not trigger the overproduction of staphylococcal enterotoxin C confirming the safety of their use in the dairy environment. Finally, in the aim of commercializing the product, conservation methods were investigated and the encapsulation and freeze of phages in micro-beads consisting of alginate/calcium gel particles appear promising. Staphylococcal virulent phages seem to be excellent biocontrol agents, being harmless and infecting specifically a given bacterial species. Having confirmed the efficacy of two phage cocktails, the use of the phage product could help decreasing the risk of emergence of phage resistant bacteria. Furthermore, undertaking a constant update of the phage cocktail could also help reducing contamination caused by S. aureus and thereby preserving safety and food quality.

La flottation est un procédé de séparation important dans l’industrie minière. Un in-térêt particulier est porté aux réactifs employés dans ce procédé en raison de leur impact sur les performances économiques des mines. Avec pour objectif de développer des réactifs efficaces d’origine biologique et moins nocifs pour l’environnement, une librairie d’expression phagique a été criblée afin d’identifier des ligands pour différents minerais d’intérêt industriel, notamment l'or, la chalcopyrite, la sphalérite, la pyrite et la silice. Après plusieurs rondes de sélection et d'enrichissement, des séquences peptidiques ont été isolées pour chacun de ces minerais. Toutefois, la détermination des isothermes d'adsorption pour chacune de ces interactions a révélé une faible spécificité. L’effet de l’adsorption de bacté-riophages, arborant certaines séquences, à la surface de ces minerais a été étudié afin d’évaluer leur potentiel en tant que bio-réactifs de flottation. Ceci a permis de confirmer une diminution de l’hydrophobicité, c’est-à-dire un effet déprimant. Les bactériophages seraient donc des candidats potentiels pour certains types d'application en flottation, ce-pendant leur coût de production devrait être significativement réduit afin d'en faire une alternative viable. / Flotation is an important separation process in mining industry. Because of their im-pact on mines economic performances, special attention is directed to flotation reagents. In order to develop efficient bio-based reagents with a lower environmental footprint, a phage display library was screened as a mean to identify peptides able to bind to ores of economi-cal interest, including gold, chalcopyrite, pyrite, sphalerite and silica. After many biopan-ning rounds, peptide sequences were successfully isolated for each of these ores. However, adsorption isotherm determination for these interactions revealed a low specificity of the obtained sequences. The possibility to use bacteriophages as flotation bio-reagents was as-sessed by studying effect produced by adsorption of phages displaying selected peptide sequences on surface properties of some of the ores. A decrease in hydrophobicity was con-firmed, suggesting a depressing effect on ores. Thus, bacteriophages might be potential candidates for some types of flotation applications but their production cost will have to be brought down significantly in order to be considered a viable alternative.

Les bactériophages sont maintenant reconnus pour jouer un rôle majeur dans divers écosystèmes. De nouveaux gènes sont fréquemment identifiés dans les génomes de ces bactériophages issus de différentes études environnementales. La majorité de ces gènes ne peuvent être associés à une fonction connue, d’où la nécessité de développer des outils génétiques performants afin mieux comprendre leur rôle dans la biologie des bactériophages virulents. Dans ce projet de maîtrise, le système CRISPR-Cas de la souche Streptococcus thermophilus DGCC7710 a été utilisé afin de pouvoir étudier des gènes sans fonction connue du bactériophage virulent 2972. Des mutations ponctuelles ainsi que de petites et de grandes délétions ont été réalisées dans le génome de phages virulents en utilisant le système CRISPR-Cas comme pression sélective. Finalement, la méthylation de l’ADN phagique a été démontrée suite à l’insertion d’un gène codant pour une méthyltransférase bactérienne dans le génome du phage 2972. / Bacteriophages are now widely recognized as major players in a wide variety of ecosystems. Novel genes are often identified in newly isolated phages as well as in environmental metavirome studies. Most of these novel viral genes have unknown functions but appear to be coding for small, non-structural proteins. To understand their biological role, very efficient genetic tools are required to modify them, especially in the genome of virulent phages. For this MSc project, specific point mutations and large deletions can be engineered in the genome of the virulent phage 2972 using the Streptococcus thermophilus CRISPR-Cas Type II-A. Furthermore, the CRISPR-Cas engineering system can be used to efficiently introduce a functional methyltransferase gene into a virulent phage genome. Finally, synthetic CRISPR bacteriophage insensitive mutants were constructed by cloning a spacer-repeat unit in a low copy vector illustrating the possibility to target multiple regions of the phage genome.