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 production porcine utilisant des antibiotiques, il est primordial d'évaluer son impact sur la présence d'entérobactéries résistantes aux antibiotiques. L'objectif du projet était d'évaluer l'impact d'un traitement de chlortétracycline administré à des porcs trois semaines après le sevrage sur l'abondance des entérobactéries résistantes aux antibiotiques et sur leur contenu en gènes de résistance. Pour y répondre, 600 porcelets ont été séparés en deux groupes à l'entrée en pouponnière. Un groupe a reçu une alimentation supplémentée en chlortétracycline (660 mg/kg d'aliment) pendant 21 jours, alors que l'autre groupe a reçu une alimentation sans antibiotiques. Des échantillons de fèces et des frottis du groin ont été récoltés 16, 38, 45, 98 et 143 jours après le sevrage. Les entérobactéries totales ainsi que celles résistantes à la tétracycline, au cotrimoxazole ainsi qu'au céfotaxime ont été dénombrées. Un sous-ensemble d'entérobactéries a été isolé et testé pour sa susceptibilité à 24 antibiotiques. Le génome bactérien de certains isolats a été séquencé. L'abondance des entérobactéries totales ainsi que celles résistantes au cotrimoxazole étaient plus élevée 16 jours après le sevrage (P < 0,05). Les entérobactéries résistantes au céfotaxime étaient plus abondantes chez tous les porcs en engraissement (jours 98 et 143; P < 0,05). Le profil de résistance des isolats était différent selon le milieu de sélection et le type d'échantillon. Le contenu en gènes de résistance était similaire entre les deux groupes. Les gènes tetA et tetB étaient les déterminants de la résistance à la tétracycline les plus prévalent et ont été identifiés sur des plasmides à proximité d'autres gènes de résistance. L'administration de chlortétracycline en pouponnière n'a pas eu d'impact significatif, sauf pour l'abondance des entérobactéries fécales résistantes au céfotaxime en période de finition. Il est tout de même primordial d'utiliser tous les antibiotiques judicieusement en raison du potentiel de co-sélection de résistances. / Since swine industry uses antibiotics, it is primary to assess the impact of this use on the presence of antibiotic-resistant enterobacteria. The aim of this study was to evaluate the impact of a chlortetracycline treatment given to pigs three weeks after weaning on the abundance of enterobacteria and their antibiotic resistance genes content. To achieve this goal, 600 weaners were split into two groups when arriving in nursery. One group was fed, for 21 days, a diet supplemented with chlortetracycline (660 mg/kg of feed), while the other group received an antibiotic-free diet. Samples of feces and swabs of snouts were collected 16, 38, 45, 98 and 143 days after weaning. Total enterobacteria as well as tetracycline-, co-trimoxazole- and cefotaxime-resistant enterobacteria from samples were counted. A subset of enterobacteria was isolated and tested for its susceptibility to 24 antibiotics. Some of those enterobacteria isolates were whole-genome sequenced. Abundance of total enterobacteria as well as co-trimoxazole-resistant enterobacteria was higher 16 days after weaning (P < 0.05). Cefotaxime-resistant enterobacteria were more abundant for all pigs in fattening (days 98 and 143; P < 0.05). Antibiotic resistance profiles of the isolates were different according to the selection medium used and the sample type. The content of antibiotic resistance genes was similar between both groups. tetA and tetB genes were the most prevalent determinants for tetracycline resistance and were identified on plasmids near other antibiotic resistance genes. The administration of in-feed chlortetracycline in nursery pigs did not have a significant impact, except for the abundance of fecal cefotaxime-resistant enterobacteria found in finishing phase. It is still primary to use all antibiotics wisely since there are risks for co-selection of resistance.

La production porcine utilisant des antibiotiques, il est primordial d'évaluer son impact sur la présence d'entérobactéries résistantes aux antibiotiques. L'objectif du projet était d'évaluer l'impact d'un traitement de chlortétracycline administré à des porcs trois semaines après le sevrage sur l'abondance des entérobactéries résistantes aux antibiotiques et sur leur contenu en gènes de résistance. Pour y répondre, 600 porcelets ont été séparés en deux groupes à l'entrée en pouponnière. Un groupe a reçu une alimentation supplémentée en chlortétracycline (660 mg/kg d'aliment) pendant 21 jours, alors que l'autre groupe a reçu une alimentation sans antibiotiques. Des échantillons de fèces et des frottis du groin ont été récoltés 16, 38, 45, 98 et 143 jours après le sevrage. Les entérobactéries totales ainsi que celles résistantes à la tétracycline, au cotrimoxazole ainsi qu'au céfotaxime ont été dénombrées. Un sous-ensemble d'entérobactéries a été isolé et testé pour sa susceptibilité à 24 antibiotiques. Le génome bactérien de certains isolats a été séquencé. L'abondance des entérobactéries totales ainsi que celles résistantes au cotrimoxazole étaient plus élevée 16 jours après le sevrage (P < 0,05). Les entérobactéries résistantes au céfotaxime étaient plus abondantes chez tous les porcs en engraissement (jours 98 et 143; P < 0,05). Le profil de résistance des isolats était différent selon le milieu de sélection et le type d'échantillon. Le contenu en gènes de résistance était similaire entre les deux groupes. Les gènes tetA et tetB étaient les déterminants de la résistance à la tétracycline les plus prévalent et ont été identifiés sur des plasmides à proximité d'autres gènes de résistance. L'administration de chlortétracycline en pouponnière n'a pas eu d'impact significatif, sauf pour l'abondance des entérobactéries fécales résistantes au céfotaxime en période de finition. Il est tout de même primordial d'utiliser tous les antibiotiques judicieusement en raison du potentiel de co-sélection de résistances. / Since swine industry uses antibiotics, it is primary to assess the impact of this use on the presence of antibiotic-resistant enterobacteria. The aim of this study was to evaluate the impact of a chlortetracycline treatment given to pigs three weeks after weaning on the abundance of enterobacteria and their antibiotic resistance genes content. To achieve this goal, 600 weaners were split into two groups when arriving in nursery. One group was fed, for 21 days, a diet supplemented with chlortetracycline (660 mg/kg of feed), while the other group received an antibiotic-free diet. Samples of feces and swabs of snouts were collected 16, 38, 45, 98 and 143 days after weaning. Total enterobacteria as well as tetracycline-, co-trimoxazole- and cefotaxime-resistant enterobacteria from samples were counted. A subset of enterobacteria was isolated and tested for its susceptibility to 24 antibiotics. Some of those enterobacteria isolates were whole-genome sequenced. Abundance of total enterobacteria as well as co-trimoxazole-resistant enterobacteria was higher 16 days after weaning (P < 0.05). Cefotaxime-resistant enterobacteria were more abundant for all pigs in fattening (days 98 and 143; P < 0.05). Antibiotic resistance profiles of the isolates were different according to the selection medium used and the sample type. The content of antibiotic resistance genes was similar between both groups. tetA and tetB genes were the most prevalent determinants for tetracycline resistance and were identified on plasmids near other antibiotic resistance genes. The administration of in-feed chlortetracycline in nursery pigs did not have a significant impact, except for the abundance of fecal cefotaxime-resistant enterobacteria found in finishing phase. It is still primary to use all antibiotics wisely since there are risks for co-selection of resistance.

Les objectifs de cette étude consistent à dresser un portrait de la présence de coliformes totaux et fécaux dans une source d'eau potable et à développer des modèles décrivant la variabilité temporelle de ces indicateurs. Le cas à l'étude est la principale source d'eau potable de la Ville de Québec, à savoir la rivière Saint-Charles. Le portrait temporel comprend une description de la présence saisonnière, journalière et intra-journalière des coliformes totaux et fécaux dans la source d'eau. Ce portrait est basé sur des données historiques acquises par la Ville et des données issues d'une campagne d'échantillonnage intensive réalisée dans le cadre de ce projet. La présence des coliformes totaux et fécaux dans l'eau a été analysée en fonction de divers paramètres environnementaux et de la qualité de l'eau. Des modèles multivariés basés sur des séries temporelles ont été développés afin d'expliquer et de prédire la présence des coliformes totaux et fécaux dans l'eau. Les modèles obtenus décrivent de manière très satisfaisante la variabilité temporelle des coliformes dans la source d'eau à l'étude. Selon les résultats de cette étude, les paramètres expliquant la présence des coliformes dans l'eau diffèrent selon la saison de l'année. L'analyse des modèles démontre que la pluviométrie, la hauteur d'eau au barrage, les heures d'ensoleillement, la turbidité, l'alcalinité et la température extérieure sont les meilleurs prédicteurs des variations temporelles des coliformes dans la source d'eau potable.