Durant les dernières décennies, la recherche sur le microbiome intestinal a positionné ce dernier comme important régulateur de nombreux processus physiologiques chez l'humain. Propulsée par les technologies de séquençage à haut débit, la recherche sur l'écologie microbienne a connu un important changement de paradigme. Les méthodes d'isolation et de mise en culture de bactéries d'intérêt sont maintenant, de manière générale, remplacées par le séquençage génétique de communautés microbiennes complètes directement dans leur environnement. Ce type d'analyse, la métagénomique, a révélé l'immense catalogue de gènes bactériens présents dans l'environnement intestinal et a levé le voile sur la majorité silencieuse du microbiote : les microorganismes non-cultivables. Ce vaste catalogue de gènes microbiens représente une véritable mine d'information dans un contexte où la recherche tente de trouver des mécanismes moléculaires expliquant la relation entre le microbiome et la santé des individus. Dans ce contexte, l'apprentissage automatique, qui permet l'analyse de données complexes, peut être utilisé pour pointer vers des effecteurs microbiens d'intérêt. L'objectif du projet est d'utiliser les données métagénomiques d'individus malades et en santé dans une tâche de classification. Plus précisément, notre but est de comparer le pouvoir prédictif de différentes représentations du microbiome, toutes dérivées des données de séquençage en métagénomique non-ciblée. Notre étude a démontré que dans un contexte de classification de phénotype de l'hôte, les méthodes de représentation qui utilisent toute l'information génique séquencée permettent de meilleures performances de prédiction que celles qui utilisent exclusivement l'information contenue dans les banques de données de référence, comme les profils taxonomique et fonctionnel. Nos résultats suggèrent que l'utilisation exclusive de l'information a priori dans un contexte d'apprentissage automatique limite, d'une certaine façon, la possibilité de trouver de nouveaux effecteurs microbiens inconnus des banques de données. / During the last decades, research positioned the gut microbiome as a major regulator of numerous physiological processes in humans. Propelled by next-generation sequencing technologies, the research on microbial ecology has undergone a significant paradigm shift; generally, bacteria isolation and cultivation are now being replaced by genetic sequencing of whole bacterial communities directly from their environment. This type of analysis, referred as metagenomics, revealed the large catalog of microbial genes comprised in the gut environment and lifted the veil on the microbiota's silent majority: non-cultivable microorganisms. This vast catalog of genes represents a real mine of information in a context where research aims at finding molecular mechanisms to explain the relation between microbiome and host health. In this context, machine learning, which allows the analysis of complex data, can be used to point toward promising microbial features. The objective of this project is to use metagenomics data from healthy and diseased individuals in a classification task. More precisely, our goal is to compare the predictive power of different microbiome representations, all derived from untargeted metagenomics data. Our study has shown that in a context of host phenotype classification, representation methods that use all the available sequenced information allow better prediction performances than those that are based on reference databases, like the taxonomic and functional profiles. Our results suggest that the exclusive use of a priori information, in a machine learning context, limits, in a way, the possibility of finding new microbial effectors unknown from reference databases.

Plusieurs facteurs modulent le microbiote intestinal des Téléostéens tels que : l'environnement, l'alimentation, l'état de santé et le génotype. Le Cichlidé drapeau (Mesonauta festivus) a des populations génétiques bien étudiées et prospère dans des rivières aux caractéristiques physico-chimiques radicalement divergentes, ce qui en fait un bon modèle pour l'étude de la contribution relative de ces facteurs sur la structure taxonomique du microbiote. Dans le premier chapitre, nous avons développé et testé des amorces de blocage d'amplification spécifiques au gène de l'ARNr 18S de M. festivus. Nos amorces de blocage ont réduit de 66 % l'abondance relative d'ADN hôte dans les échantillons et ont augmenté la détectabilité de taxons parasitaires potentiellement dangereux, démontrant le potentiel de la méthode. De plus, nous avons collecté des données sur les habitudes alimentaires de l'espèce et décrit brièvement les communautés Eucaryotes commensales de son microbiote intestinal. Dans le chapitre deux, nous avons collecté 167 M. festivus à 12 sites d'étude en Amazonie centrale. Nous avons utilisé une double approche de métabarcodage génétique des gènes de l'ARNr 16S et 18S pour caractériser la structure taxonomique du microbiote intestinal et inférer l'influence du génotype des hôtes et aux caractéristiques physico-chimiques de l'eau à chaque site. Entre autres, nos résultats soutiennent un impact plus important de l'apparentement phylogénétique entre les poissons que la similarité environnementale entre les sites d'étude sur la structuration du microbiote intestinal pour ce Cichlidé amazonien. De plus, nous avons détecté des infections par Nyctoterus sp. et lié la présence de ce parasite à une dysbiose du microbiote intestinal de l'hôte. Nous avons également détecté la présence de vers intestinaux, dont la présence avait un impact mineur sur le microbiote. Notre étude, dans un paysage fluvial hétérogène, améliore la compréhension de la relation complexe entre les poissons, leurs parasites, leur microbiote et l'environnement. / A number of key factors can structure the gut microbiota of fish such as: environment, diet, health state and genotype. Mesonauta festivus, an Amazonian cichlid, is a good model organism to study the relative contribution of these factors on the community structure of fish gut microbiota. M. festivus has well-studied genetic populations and thrives in rivers with drastically divergent physicochemical characteristics. In chapter one, we developed and tested species-specific elongation arrest blocking primers to block the M. festivus, 18S rRNA SSU gene. Our elongation arrest blocking primers significantly reduced the amount of host DNA in samples by 66 %. The blocking primers increased the detectability of potentially dangerous parasitic taxa in fish gut, highlighting the potential of the method for parasitic screening. Also, we collected data on the species feeding habits and obtained data on the commensal eukaryotic communities of this species gut microbiota. In chapter two, we collected 167 M. festivus from 12 study sites in central Amazonia. We used dual 16S and 18S rRNA metabarcoding approaches to characterize the gut microbiota structure in light of the host fish genotypes (Genotyping-By-Sequencing) and an extensive characterization of environmental physico-chemical parameters. We documented occurrences of ciliates from the genus Nyctoterus sp. infecting a fish and linked its presence to a dysbiosis of the gut microbiota of the host. Moreover, we detected the presence of helminths which had a minor impact on the gut microbiota of their host. Also, our results support a higher impact of the phylogenetic relatedness between fish rather than environmental similarity between sites of study on structuring the gut microbiota for this Amazonian cichlid. Our study in a heterogeneous riverscape integrates a wide range of factors known to structure fish gut microbiota. It significantly improves understanding of the complex relationship between fish, their parasites, their microbiota, and the environment.

L’intestin humain contient une variété de microbes commensaux qui sont représentés par divers organismes appartenant aux trois domaines de la vie où les Eukarya sont essentiellement représentés par le règne des champignons. La levure commensale et opportuniste Candida albicans a été identifiée comme étant le champignon le plus commun dans l’intestin des humains sains. Des études récentes soutiennent que malgré leur faible abondance les levures du genre Candida peuvent altérer l'équilibre du microbiote et conduire à des dysbioses ou des pathologies récurrentes comme la maladie de Crohn et les colites ulcéreuses. Il a été démontré que le microbiote commensal joue un rôle essentiel dans la protection de l’intestin contre la colonisation par des bactéries pathogènes et des pathobiontes. Cependant, jusqu'à présent, on ignore si la prolifération ou la pathogénicité de C. albicans peuvent être contrôlées par d'autres microbiotes fécaux. Dans cette étude, nous avons démontré que le métabolome microbien de l'intestin humain exerce une activité antifongique contre C. albicans et d’autres levures qui résident au niveau intestinal. Ces métabolites inhibent plusieurs traits de virulence de C. albicans incluant la filamentation et l'invasion des cellules humaines. De plus, un crible génétique chez C. albicans a suggéré que TOR est la cible moléculaire de la ou des molécules antifongiques du métabolome microbien de l'intestin humain. / The human gut contains a variety of commensal microbes which are composed of diverse organisms that belong to all three domains of life with Eukarya primarily represented by fungi. The commensal / opportunistic yeast Candida albicans has been reported as the most common fungus in the gut of healthy humans. Recent evidences support that, this small fraction can alter the microbiota equilibrium leading to dysbiosis and diseases like inflammatory bowel diseases. It has been demonstrated that commensal microbiota plays a critical role in the protection of the gut against colonization by other bacterial pathogens and pathobionts. However, so far, whether C. albicans overgrowth or pathogenicity are controlled by other fecal microbiota is not known. In this study, we showed that the human microbial gut metabolome (GM) exerts an antifungal activity against different intestinal-resident yeasts including hyphal growth and the invasion of human enterocytes of C. albicans. Furthermore, a genetic screen in C. albicans suggested that TOR is the molecular target of the antifungal molecule(s) of the GM.

Ce projet s’est intéressé à l’impact qu’exerce l’ensemencement du Saumon atlantique sur le processus de recrutement des souches microbiennes commensales en milieu naturel. Puisque le taux de survie des saumons ensemencés reste faible par rapport à celui des individus sauvages de la même population génétique, il est essentiel d’évaluer dans quelle mesure l’acclimatation du microbiote aux conditions de pisciculture persiste après l’introduction des individus en milieu naturel. L’objectif de ce projet était de comparer la composition du microbiote de tacons de saumons, nés en pisciculture, deux mois suivant leur introduction en rivière avec celle des tacons sauvages. L’hypothèse était que l’élevage en pisciculture induit un effet à long terme sur le microbiote des individus ensemencés. Différents sites corporels ont été comparés; le mucus cutané, trois sections de l’intestin (proximale, médiane, et distale) ainsi que le bol alimentaire associé à chacune de ces trois sections, en plus du contenu stomacal. Enfin, tous les individus ont été génotypés à l’aide de 17 marqueurs microsatellites. Les résultats présentés montrent que les individus ensemencés ont un microbiote différent de celui de leurs congénères sauvages. Ces résultats mettent en évidence une empreinte sur le microbiote des conditions précoces. Une capacité d’acclimatation du microbiote cutané ainsi qu’une forte résistance à la colonisation du microbiote intestinal aux bactéries sauvages ont été notés. Ce projet génère des connaissances inédites dans le domaine de l’écologie microbienne, utilisables pour l’optimisation des méthodes de conservation et supporte les recommandations de reconstituer le plus possible l’environnement naturel lors de l’élevage de poissons destinés à la restauration de populations naturelles. Des études complémentaires seront nécessaires afin d’approfondir notre compréhension des processus moléculaires liés au recrutement du microbiote et sur la relation entre la faible survie des individus ensemencés et l’impossibilité de recruter certaines fonctions bactériennes clés après l’ensemencement. / Here we examine the impact exerted by the Atlantic salmon stocking methods on the microbiota recruitment processes of microbial commensals in the wild. Because mortality rate of stocked salmon remains higher than that of wild ones despite sharing the same genetic background, it becomes essential to assess to which extent the acclimation of the microbiota in hatchery persists after the introduction of fishes in the wild. Our objective was to compare hatchery reared and stocked parrs with wild parrs’ microbiota belonging to the same genetic population, two months after stocking. We hypothesized that rearing conditions in hatcheries had long-term effects on the microbiota of stocked parrs after stocking. To do so, we examined the microbiota composition from various samples of stocked and wild parrs; the cutaneous mucus, three sections of the intestine (proximal, median and posterior) and the food bowl associated to these sections, as well as the stomach content. In addition, all specimens were genotyped with 17 microsatellites markers. The results show that stocked parrs’ microbiota differs than that from their wild relatives and suggest that hatchery conditions have long term effects on the microbiota. Moreover, our results suggest an imprinting on the microbiota associated with early conditions. Moreover, a high adaptive capacity of the cutaneous mucus microbiota and a high colonization resistance of the intestinal microbiota were observed. In addition to generate knowledge regarding the long-term effects of early life conditions on the microbiota composition, this project support previous recommendation to mimic the natural environment (including the microbial environment) in hatchery for conservation programs. Further studies on the molecular processes occurring during the microbiota ontogeny in hatchery as well as on the contribution of the microbiota for stocked parrs’ survival after their introduction in the wildand their incapacity to recruit key symbionts in the wild would be needed.

Titre de l'écran-titre (visionné le 1 novembre 2023) / Longtemps, les effets bénéfiques sur la santé des flavan-3-ols, la classe de (poly)phénols la plus consommée dans la diète occidentale, ont été associés à leur effet antioxydant dans l'organisme. Toutefois, moins de 10% de ces molécules sont absorbées dans l'intestin grêle, ce qui ne permet pas de procurer un effet antioxydant significatif dans l'organisme. Puisque la majorité des flavan-3-ols (> 90%) se rend jusqu'au côlon, l'interaction bidirectionnelle entre les flavan-3-ols et le microbiote intestinal expliquerait plutôt leurs effets sur la santé. D'une part, certaines bactéries du microbiote intestinal sont en mesure de dégrader les flavan-3-ols en métabolites bioactifs et biodisponibles. D'autre part, les flavan-3-ols peuvent moduler la composition du microbiote intestinal en favorisant la croissance des bactéries bénéfiques et en inhibant les bactéries pathogènes. De plus, les résultats des grandes études cliniques visant à démontrer l'effet des flavan-3-ols sur la santé sont souvent très hétérogènes en raison de la grande variabilité inter-individuelle de la capacité du microbiote intestinal à convertir ces molécules en métabolites. Afin de caractériser cette variabilité inter-individuelle, il a été proposé de stratifier la population en phénotypes métaboliques définis par la production de métabolites issus de la dégradation de (poly)phénols spécifiques par le microbiote intestinal, nommés métabotypes, mais aucune définition claire n'a encore été obtenue avec les flavan-3-ols. Le but de cette thèse est de caractériser l'interaction bidirectionnelle entre les flavan-3-ols et le microbiote intestinal, ainsi que la variabilité inter-individuelle qui en découle. Plus spécifiquement, ces travaux visent à améliorer les méthodes d'analyses des métabolites microbiens de flavan-3-ols, à définir les métabotypes associés au métabolisme des flavan-3-ols par le microbiote intestinal et à évaluer la capacité de ces molécules à moduler positivement la composition du microbiote intestinal. Dans un premier temps, une technique d'hydrolyse enzymatique a été mise au point afin de pouvoir quantifier efficacement les métabolites microbiens de flavan-3-ols dans l'urine à l'aide de standards analytiques abordables et disponibles commercialement. De plus, une nouvelle méthode de quantification à haut débit a été développée afin de réduire le temps d'analyse d'environ 15 minutes à seulement quelques secondes. Ensuite, cette approche a été appliquée à une étude clinique où 39 sujets ont consommé un extrait de canneberge riche en flavan-3-ols durant 4 jours. De plus, les échantillons fécaux prélevés avant l'intervention ont permis d'effectuer une cinétique de dégradation in vitro (i) d'épicatéchine, un flavan-3-ol monomérique pur servant de modèle, et des extraits purifiés en flavan-3-ols polymériques (ii) d'aronie et (iii) de canneberge durant 24h. L'étude du métabolisme microbien de l'épicatéchine a mis en évidence que les sujets se regroupaient en métabotypes sur la base de leur vitesse de métabolisation de ce substrat et de leur production de métabolites spécifiques. En effet, des métabolisateurs lents et rapides, ainsi que trois profils métaboliques distincts, associés à des microbiotes intestinaux spécifiques, ont pu être identifiés. Toutefois, il n'a pas été possible de définir des métabotypes associés au métabolisme des flavan-3-ols d'aronie et de canneberge. Ces cinétiques ont plutôt mis en évidence que les flavan-3-ols polymériques d'aronie et de canneberge n'étaient que très peu dégradés (< 1%) par le microbiote intestinal. Ce résultat a également été confirmé par l'analyse de l'excrétion urinaire des métabolites microbiens de flavan-3-ols avant et après la supplémentation avec l'extrait de canneberge. Toutefois, l'étude métataxonomique des échantillons fécaux des 39 sujets suite à la supplémentation en flavan-3-ols de canneberge a permis de démontrer un effet bifidogénique, c'est-à-dire une stimulation de la croissance des espèces bactériennes associées au genre Bifidobacterium. De plus, ces travaux ont permis de démontrer que l'extrait de canneberge modulait différemment le microbiote intestinal des individus, dépendamment de sa composition initiale. En effet, l'extrait de canneberge permettait de favoriser la croissance de Fæcalibacterium chez les sujets ayant Prevotella dans leur microbiote initial. Ces résultats confirment que les flavan-3-ols polymériques sont capables de moduler le microbiote intestinal, et ce malgré leur faible métabolisation. En somme, l'approche multidisciplinaire, allant de la chimie analytique à la microbiologie, utilisée dans le cadre de cette thèse a permis de caractériser l'interaction bidirectionnelle entre les flavan-3-ols et le microbiote intestinal, autant in vitro qu'in vivo, et de mieux comprendre la variabilité inter-individuelle qui y est associée. Ces travaux pavent la voie au développement d'approches de nutrition personnalisée. / Health benefits of flavan-3-ols, the most consumed (poly)phenols class in the Western diet, were previously attributed to their antioxidant activity within the host. However, less than 10% of these molecules are absorbed in the small intestine. Hence, they cannot exert significant antioxidant activity in the host. Since the majority (> 90%) reaches the colon, their bidirectional interaction with the gut microbiota rather explains their positive effects on health. On the one hand, specific gut bacteria can convert flavan-3-ols into bioavailable and potentially bioactive metabolites. On the other hand, flavan-3-ols can positively modulate the composition of the gut microbiota by stimulating the growth of beneficial bacteria and by inhibiting the pathogenic ones. In addition, the results obtained in large clinical trials attempting to demonstrate the effect of flavan-3-ols are heterogeneous due to the high inter-individual variability of the capacity of the gut microbiota to convert these molecules into metabolites. To characterize this inter-individual variability, it has been proposed to stratify the population into metabolic phenotypes defined by the production of metabolites from the metabolism of specific (poly)phenols by the gut microbiota, so called metabotypes, but no clear definition has yet been obtained with flavan-3-ols. This thesis aimed to characterize the bidirectional interaction between flavan-3-ols and gut microbiota, as well as the resulting inter-individual variability. Specifically, the goals were to improve the methods for microbial flavan-3-ols metabolites quantification, to define the metabotypes associated with the metabolism of flavan-3-ols by the gut microbiota and to assess the capacity of these molecules to positively modulate the composition of the gut microbiota. First, a method using enzymatic hydrolysis was developed to accurately quantify microbial flavan-3-ols metabolites in urine with affordable and commercially available analytical standards. In addition, a new high-throughput method was developed to reduce the analysis time from around 15 minutes to just a few seconds. Then, this approach was applied to a clinical study involving 39 subjects who consumed a flavan-3-ols-rich cranberry extract for 4 days. In addition, fecal samples collected before the intervention were used to perform in vitro degradation kinetics of (i) epicatechin, a pure monomeric flavan-3-ol used as a model, and purified polymeric flavan-3-ols from (ii) aronia and (iii) cranberry for 24h. Results obtained from microbial metabolism of epicatechin revealed that subjects clustered into metabotypes based on their conversion rate of epicatechin and on the production of specific metabolites. In fact, slow and fast metabolizers, as well as 3 distinct metabolic profiles, associated with specific gut microbiota, were identified. However, it was not possible to define metabotypes associated with the metabolism of flavan-3-ols from aronia and cranberry. These experiments rather demonstrated that the polymeric flavan-3-ols from aronia and cranberry were only slightly degraded (< 1%) by the intestinal microbiota. This result was also confirmed by the analysis of urinary excretion of microbial flavan-3-ol metabolites before and after supplementation with the cranberry extract. However, metataxonomics analysis of the fecal samples of the 39 subjects following supplementation with cranberry extract demonstrated a bifidogenic effect, i.e. stimulation of the growth of bacterial species associated with the genus Bifidobacterium. In addition, we demonstrated that cranberry extract supplementation differently modulated the gut microbiota of the participants, depending on its initial composition. Indeed, cranberry extract promoted the growth of Fæcalibacterium in subjects with Prevotella in their initial microbiota. These results confirm that polymeric flavan-3-ols can modulate the gut microbiota, despite their low metabolism. In conclusion, the multidisciplinary approach, ranging from analytical chemistry to microbiology, used in this thesis allowed to characterize the bidirectional interaction between flavan-3-ols and the intestinal microbiota, both in vitro and in vivo, and to better understand the inter-individual variability associated with it. This work paves the way for the development of personalized nutrition approaches.

La tordeuse des bourgeons d’épinette (Choristoneura fumiferana) est l'un des insectes ravageurs les plus destructeurs au Canada. La principale méthode de contrôle de cet insecte est l’insecticide à base de bactéries Bacillus thurigiensis (BT). La communauté bactérienne de l'intestin de la tordeuse des bourgeons de l'épinette pourrait jouer un rôle dans l'action insecticide de BT, en plus de son rôle potentiel dans le métabolisme de matière ligneuse. Cette étude visait à obtenir un premier aperçu des communautés bactériennes de l'intestin de C. fumiferana et de mesurer l'effet des changements de régime alimentaire sur la composition de ces communautés. Un groupe de larves a été élevé dans le laboratoire sur diète synthétique McMorran, tandis que les deux autres groupes ont été recueillis sur le terrain sur le sapin baumier et l'épinette noire. L'intestin moyen de larves a été extrait, broyé et l'ADN en a été extrait. La région V6-V8 des petites sous-unités ribosomiques 16S bactériennes a été amplifiée puis séquencée avec 454 GS FLX-titanium. Les séquences obtenues ont été traitées, regroupées et classées avec le logiciel mothur. Nous avons trouvé que le microbiote intestinal de la tordeuse était dominé par des Proteobactéries, principalement du genre Pseudomonas. En outre, le microbiote des larves élevées sur l'alimentation synthétique était beaucoup plus riche en termes de diversité taxonomique que pour les larves recueillies sur le terrain, et beaucoup plus uniforme entre chaque échantillon. Nous en avons donc conclu que différentes méthodes d’élevage favorisaient différentes communautés microbiennes dans l’intestin de C. fumiferana. Il reste à déterminer si cette différence est dûe au génotype de l’insecte, son alimentation ou son environnement, et quel impact ont ces différences sur les capacités métaboliques de l’insecte.

Une augmentation de la prévalence des maladies cardiométaboliques (CMD) et mentales est observée au sein des populations autochtones du Nord du Canada. Le passage d'une alimentation traditionnelle à une diète de type occidental pourrait être responsable d'une déstabilisation du microbiote intestinal, un ensemble de microorganismes participants à des processus physiologiques clé incluant la régulation du système immunitaire. Le suivi de l'évolution de biomarqueurs du tractus gastrointestinal en temps réel et de manière longitudinale permettrait de supporter l'élucidation des liens entre les habitudes alimentaires de l'hôte et sa diète. Cependant, cela est entravé par les méthodes d'analyse classiques relativement longues qui reposent sur le prélèvement d'échantillons sanguins ou de fèces, acheminés ensuite vers des laboratoires spécialisés. L'objectif général de ce projet consiste à développer une sonde permettant l'analyse des processus microbiens du tractus gastrointestinal en temps réel en se basant sur l'utilisation d'une fibre optique fonctionnalisée avec des nanoparticules fluorescentes. Dans le cadre de ce projet de thèse, nous avons démontré la possibilité d'utiliser l'agrégation de fluorophores avec des nanoparticules plasmoniques pour la détection d'acides lysophosphatidiques (LPA), des métabolites d'intérêt étant donné leur implication dans de nombreux processus, incluant la signalisation cellulaire, et dont une dysbiose est reliée à certains cancers. Tout d'abord, des sondes possédant une portion styrylpyridinium à titre de tête fluorescente ont été synthétisées afin d'optimiser l'interaction complémentaire avec les LPA tout en permettant leur immobilisation sur des particules plasmoniques. Une architecture cœur-coquille a été produite en combinant la croissance de germes pour l'obtention de particules d'argent, suivie d'un procédé Stöber modifié pour y déposer une fine coquille de silice d'épaisseur contrôlée. Leur fonctionnalisation avec les sondes moléculaires a été réalisée par l'utilisation de silanes afin de leur conférer une exaltation de fluorescence en plus d'une meilleure photostabilité. Dans le cas des sondes moléculaires, l'ajout de LPA cause une extinction de fluorescence pour de faibles concentrations d'analyte, mais une augmentation subséquente du signal pour des quantités plus élevées. Des analyses mécanistiques, incluant le titrage à calorimétrie isotherme de même que des analyses de temps de vie de fluorescence, ont permis d'investiguer le mécanisme de détection, en particulier la formation d'excimères. Dans le cas des suspensions colloïdales, c'est plutôt une amplification de signal qui est obtenue. Une caractérisation par suivi de nanoparticules a montré une agrégation des particules lors de l'ajout de LPA, indiquant une contribution potentielle du couplage plasmonique sur la tendance obtenue. Les perspectives du projet sont surtout reliées à l'immobilisation des particules fluorescentes sur une lamelle de microscopie ou même l'extrémité d'une fibre optique à titre de cathéter afin d'étudier l'impact de ce confinement sur les performances analytiques. La méthode d'analyse sera ensuite validée dans le but d'obtenir les concentrations métaboliques résolues spatialement et dans le temps. / Cardiometabolic disorders (CMD) and mental illnesses are increasingly prevalent pathologies found among indigenous populations of the northern Canada. Ongoing changes in their nutrition from country food to a western-type diet could give rise to a dysregulation of their gut microbiota, i.e., micro-organisms ongoing key physiological processes such as immune system regulation. Monitoring the longitudinal evolution of gut biomarkers in real-time would help decipher the links between the hosts diet and health. However, this is currently hampered by classical a posteriori analysis of fecal or gut samples. The overarching goal of the project is to develop an optical nanoprobe to monitor microbial processes in the gastrointestinal tract based on the use of an optical fiber functionalized with luminescent nanoparticles. During my thesis, we have demonstrated the possibility to use aggregation-based fluorescent transduction with the combination of plasmonic nanoparticles for lysophosphatidic acid (LPA) detection. LPA constitute targets of significant interest since they are involved in several processes, including cellular signalization, and of which a dysbiosis is related to several cancers. To begin with, molecular probes composed of a styrylpyridinium fluorescent head followed by a hydrophobic chain were synthesized to optimize the complementarity of interactions with LPA and allowing for their further immobilization on plasmonic nanoparticles. A core-shell nanoarchitecture was obtained by combining a seed-growth method for the silver nanoparticles core with a modified Stöber process to generate a silica shell of controlled thickness. Their surface functionalization with the fluorescent probe was achieved through the use of silane chemistry to bestow them with enhanced fluorescence intensity and photostability. In the case of the free molecular probes, adding LPA to the medium induces fluorescence quenching for small target concentrations, whereas a subsequent fluorescence enhancement is observed at higher LPA concentrations. Mechanistic investigations involving isothermal titration calorimetry and time-resolved fluorescence spectroscopy provided information on the potential transduction mechanism which would be related to the formation of excimers of the dyes. In the case of colloidal suspensions, a signal enhancement is obtained during titration with LPA. Nanoparticle tracking analysis revealed an aggregation of the nanoparticles when they interact with LPA, suggesting that plasmonic coupling is one of the contributions to the overall trend; the other mechanism would come from the local environment change at the surface of the particles. For the future works of the project, the fluorescent plasmonic nanoparticles will be immobilized on a glass substrate (microscope glass slide or optical fiber) to determine the impact of this constraint on the analytical performances of the sensor. The analytical method will further be validated in complex matrices to allow real-time and spatially-resolved measurements of gut metabolites in vivo.

La mise en évidence de l'association entre désordres métaboliques et état dysbiotique remet aujourd'hui en cause la définition et les modes de traitement traditionnels du syndrome métabolique. Or, la composition et l'activité du microbiote intestinal étant grandement déterminées par l'alimentation, les aliments riches en fibres et composés phytochimiques, réputés pour leur action prébiotique, représentent un levier majeur pour traiter les désordres métaboliques et en prévenir le développement. La consommation de framboises a démontré des effets positifs sur les désordres métaboliques, associés dans certaines études à la modulation du microbiote intestinal. En outre, la variabilité interindividuelle constitue un obstacle majeur à l'identification des effets des interventions nutritionnelles et des mécanismes qui les sous-tendent. Ce projet avait pour objectif principal d'évaluer l'impact de la consommation de framboises sur les paramètres du syndrome métabolique, en recourant notamment à des outils omiques pour circonscrire avec davantage de précision ces effets selon les individus. Dans le cadre d'un essai randomisé contrôlé à deux bras parallèles, 28 participants présentant des désordres métaboliques consommèrent 280 g de framboises par jour pendant 8 semaines, tandis que 28 autres maintinrent leur diète habituelle. L'intervention n'a pas démontré d'effet majeur sur les paramètres du syndrome métabolique. Néanmoins, l'application d'une méthode de discrimination fondée sur la variation du transcriptome sanguin a permis d'identifier des sujets « répondeurs » et « non-répondeurs », qui se distinguaient notamment par des signatures microbiennes différentes en amont de l'intervention. Une étude exploratoire a également été menée sur une dimension spécifique de la réponse à l'intervention : les sujets ont été stratifiés en fonction de la variation de leur taux plasmatique d'oxyde de triméthylamine en réponse à la consommation de framboises et leurs signatures microbiennes ont été analysées. Il s'ensuit que les outils omiques, de par la visibilité des processus moléculaires qu'ils offrent, constituent un atout majeur dans la mise en œuvre de telles études d'intervention nutritionnelles, en facilitant la mise en évidence de leurs effets en dépit de la variabilité interindividuelle. / The discovery of the relationship between metabolic disorders and dysbiotic state calls into question both definition and treatment of the metabolic syndrome. However, since the composition and activity of the intestinal microbiota are largely determined by diet, foods rich in fibre and phytochemicals, known for their prebiotic action, represent a major lever for treating metabolic disorders and preventing their development. The consumption of raspberries has been associated with positive effects on metabolic disorders, associated in some studies with the modulation of the intestinal microbiota. In addition, inter-individual variability is a major obstacle in identifying the effects of nutritional interventions and the mechanisms underlying them. The main objective of this project was to assess the impact of raspberry consumption on the parameters of metabolic syndrome, in particular by using omics technologies to define these effects more precisely according to the individuals. In a two-arm parallel-group, randomized, controlled trial, 29 participants with metabolic disorders consumed 280 g of raspberries daily for 8 weeks, while 30 others maintained their usual diet. The intervention did not demonstrate major effects on metabolic syndrome parameters. Nevertheless, the application of a discrimination method based on the variation of whole blood transcriptome allowed to identify "responders" and "non-responders", whose microbial signatures prior to the intervention differed. An exploratory study was also conducted on a specific dimension of response to the intervention: subjects were stratified according to their changes in plasma trimethylamine N-oxide level in response to raspberry consumption and their microbial signatures were analysed. It follows that omics tools, through the visibility they offer on the molecular processes, constitute a major asset in the implementation of such nutritional intervention studies, by facilitating the highlighting of their effects despite inter-individual variability.

Le passage d'un mode de vie traditionnel à un mode de vie moderne a entraîné des changements concomitants dans tous les aspects de la vie, notamment l'introduction et la consommation croissante d'aliments industrialisés en masse. Ce changement a modifié, parmi d'autres, l'équilibre entre les acides gras oméga-3 et oméga-6, une balance qui peut être associée à une mauvaise santé cardiométabolique. Plusieurs études confirment les bienfaits des oméga-3 pour la santé, notamment les acides gras à longue chaîne tels que l'acide eicosapentaénoïque (EPA) et l'acide docosahexaénoïque (DHA). Ces acides gras peuvent avoir des effets bénéfiques sur la santé en modulant, en partie, l'endocannabinoïdome ainsi que le microbiome intestinal, qui sont tous les deux des régulateurs clés de plusieurs aspects de la santé cardiométabolique et de l'obésité. D'où l'intérêt d'incorporer des aliments riches en oméga-3 : qui sont accessibles, abordables et consommables par toute personne y compris les véganes, afin de corriger ce déséquilibre et de prévenir les complications métaboliques. Les graines de chanvre (Cannabis sativa) entières ont une valeur nutritionnelle exceptionnelle, étant très riches en acides gras essentiels (AGE) ainsi que les acides gras polyinsaturés (AGPI) dont les oméga-3. Il est aussi intéressant de noter que les graines de chanvre sont également une source riche d'acide stéaridonique (SDA), qui peut être converti en EPA. De plus, ces graines contiennent presque autant de protéines de qualité que le soja et elles sont également riches en vitamine E, en minéraux et en fibres. Cette thèse avait donc comme objectif d'évaluer, par rapport à une graine largement utilisée pour la prévention de la dyslipidémie « la graine de lin », les effets d'une supplémentation alimentaire en graines de chanvre entières sur le développement de l'obésité et des complications métaboliques dans un modèle de souris souffrant d'obésité induite par le régime alimentaire et de déterminer ses effets sur l'axe microbiome-endocannabinoïdome. L'hypothèse générale est que « les graines de chanvre améliorent les paramètres métaboliques chez les souris obèses en corrélation avec des niveaux circulants et tissulaires normalisés de médiateurs lipidiques de l'eCBome ainsi que des changements dans la composition du microbiote intestinal ». Dans un premier temps, et vu que notre partenaire industriel avait deux variétés de chanvre, nous avons étudié la composition nutritionnelle et cannabinoïde des graines Finola et X59 afin de choisir la meilleure variété, en point de vue nutritionnel, pour notre expérimentation in vivo. Les résultats démontrent que la variété Finola possède une meilleure composition qualitative en macro et micronutriment, par rapport à la variété X59, dont la plus importante est la composition en oméga-3. De ce fait, nous avons choisi les graines Finola pour la suite du projet. Dans un deuxième temps, nous avons évalué les effets de la supplémentation en graines de Finola mixées avec une diète High Fat High Sucrose (HFHS) dans une étude de 8 semaines chez des souris C57BL/6J, dont les groupes de contrôle étaient : HFHS, HFHS mixée avec les graines de Lin et Low Fat Low Sucrose (LFLS). Les résultats démontrent que la supplémentation en grains de chanvre produit une légère amélioration du profil métabolique et inflammatoire par rapport aux graines de lin et en comparaison avec le contrôle LFLS. En revanche, les deux graines changent sensiblement l'eCBome avec une augmentation des médiateurs oméga-3 (dont les précurseurs sont des acides gras oméga-3) et une diminution des médiateurs oméga-6, surtout dans le tissu adipeux, par rapport aux LFLS et HFHS. Exceptionnellement, le SDA et ses médiateurs ont augmenté considérablement dans le groupe des graines de chanvre. Dans un troisième temps, nous avons étudié la capacité des préadipocytes et des adipocytes 3T3-L1 traitées avec des acides gras oméga-3 ou des huiles de chanvre et de lin à produire leurs médiateurs eCBome respectifs. Les résultats démontrent que les préadipocytes et les adipocytes 3T3-L1 traités avec des acides gras oméga-3 étaient capables à produire leurs médiateurs eCBome respectifs et que le SDA était capable de se convertir en EPA ainsi que leurs médiateurs. Par conséquent, les modifications de l'endocannabinoïdome dans le tissu adipeux des souris observées dans le cadre du protocole in vivo sont probablement, au moins en partie, le résultat direct des graisses alimentaires sur ces types de cellules spécifiquement. Cette thèse a donc montré que les graines de chanvre, riche en SDA, pourraient provoquer des changements bénéfiques dans le métabolisme en altérant l'endocannabinoidome. / The shift from a traditional to a modern lifestyle has resulted in concomitant changes in all aspects of life, including the introduction and increasing consumption of mass-produced foods. This change has altered, among other things, the balance between omega-3 and omega-6 fatty acids (FAs), a balance that may be associated with poor cardiometabolic health. Several studies confirm the health benefits of omega-3 FAs, including long-chain fatty acids such as eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA). These FAs may have health benefits by, among other things, modulating the endocannabinoidome as well as the gut microbiome, both of which are key regulators of several aspects of cardiometabolic health and obesity. Hence the value of incorporating omega-3 rich foods that are: accessible, affordable and consumable by anyone including vegans to correct this imbalance and prevent metabolic complications. Whole hemp seeds (Cannabis sativa) have exceptional nutritional value, being very rich in essential fatty acids (EFAs) and other polyunsaturated fatty acids (PUFAs) including omega-3 FAs. It is also interesting to note that hemp seeds are also a rich source of stearidonic acid (SDA), which can be converted into EPA. In addition, these seeds contain almost as much quality protein as soybeans and are also rich in vitamin E, minerals and fiber. Therefore, the objective of this thesis was to evaluate, in comparison to a widely used seed for the prevention of dyslipidemia «flaxseed», the effects of dietary supplementation with whole hempseed on the development of obesity and related complications in a mouse model of diet-induced obesity and to determine its effects on the microbiome-endocannabinoidome axis. The overall hypothesis is that «hemp seeds improve metabolic parameters in obese mice in correlation with normalized circulating and tissue levels of eCBome lipid mediators as well as changes in gut microbiota composition. » As a first step, and since our industrial partner had two varieties of hemp, we studied the nutritional and cannabinoid composition of Finola and X59 hemp seeds in order to choose the best variety, from a nutritional point of view, for our in vivo experiment. The results show that the Finola variety has a better qualitative composition in macro and micronutrient, compared to the X59 variety, the most important of which is the omega-3 composition. Therefore, we chose Finola seeds for the rest of the project. In a second step, we evaluated the effects of Finola seeds mixed with a High Fat High Sucrose (HFHS) diet in an 8-week study in C57BL/6J mice, where the control groups were: HFHS, HFHS mixed with flaxseed and Low Fat Low Sucrose (LFLS). The results show that hemp seed supplementation produced a slight improvement in the metabolic and inflammatory profile compared to flax seed and the LFLS control. In contrast, both seeds significantly changed the eCBome by an increase in omega-3 mediators (whose precursors are omega-3 fatty acids) and a decrease in omega-6 mediators, especially in adipose tissue, compared with LFLS and HFHS. Exceptionally, SDA and its mediators were significantly increased in the hemp seed group. In a third step, we investigated the ability of 3T3-L1 preadipocytes and adipocytes treated with omega-3 fatty acids or hemp seed and flax seed oils to produce their respective eCBome mediators. The results show that preadipocytes and 3T3-L1 adipocytes treated with omega-3 fatty acids were able to produce their respective eCBome mediators and that SDA was able to convert to EPA as well as their mediators. Therefore, the endocannabinoidome changes in the adipose tissue of mice observed within the in vivo protocol is likely, at least in part, a direct result of dietary fats on these cell types specifically. This thesis therefore showed that hemp seeds, rich in SDA, could induce beneficial changes in metabolism by altering the endocannabinoidome.

Le microbiote intestinal regroupe l’ensemble des micro-organismes qui colonisent l’intestin d’un animal. Chez l’abeille, il participe à la digestion et aux fonctions immunitaires. Plusieurs facteurs environnementaux perturbent le microbiote de cet insecte, nuisant ainsi à sa santé. Pour prévenir cette situation, l’ajout de probiotiques dans l’alimentation des abeilles est une solution intéressante. Il a été montré que certains probiotiques favorisent la croissance des colonies et diminuent l’incidence de plusieurs maladies et parasites. Cependant, aucune information n’est disponible quant à leurs effets en climat nordique, là où la survie hivernale et le développement printanier des colonies sont des enjeux majeurs pour les apiculteurs. L’objectif principal du projet est d’évaluer l’effet de formules probiotiques sur la composition taxonomique du microbiote de l’abeille et la performance des colonies. Deux souches probiotiques commerciales (Bactocell® et Levucell®SB), une bactérie endogène(Parasaccharibacter apium) et un antibiotique ont été administrés à un total de 45 colonies d’abeilles à l’automne 2017 et au printemps 2018. Un profilage du microbiote bactérien a été réalisé à quatre moments au cours du projet : en septembre, novembre, avril et juin. La survie hivernale et la performance des colonies ont été évaluées en mesurant le nombre de larves, le nombre d’abeilles dans la colonie, la consommation hivernale de nourriture et le poids des ruches. Le moment de l’année a influencé la composition du microbiote intestinal de l’abeille, suggérant une adaptation aux conditions environnementales. De plus, la prise de probiotiques n’a modulé que légèrement le microbiote de l’abeille. Quant à la performance des colonies, les formules probiotiques Bactocell® et Levucell®SB ont amélioré le développement printanier des colonies. Ces résultats indiquent que les probiotiques peuvent améliorer la performance des colonies d’abeilles, et ce, sans perturber leur microbiote. Ces informations seront utiles dans l’optique de développer une formule probiotique destinée à l’industrie apicole canadienne. / The microbiota represents microorganisms that inhabit the gut of an animal. The honeybee’s gut microbiota contributes to digestion, immunity and protection of the gut lining. Many environmental factors are known to disrupt the microbial balance of the microbiota and thus affecting honeybee health. The use of probiotics is now considered by many as a sustainable strategy to improve colony health. In fact, studies have shown that some probiotic strains could reduce dysbiosis while enhancing brood development, honey yield and pathogen tolerance. However, none of them investigated the benefits of probiotic supplementation under a cold climate, where winter survival and spring buildup are two critical moments for beekeepers.The goal of this project is to assess the effects of probiotic formulas on taxonomical composition of the bees’ microbiota and colony performance. To this purpose, forty-five honeybee colonies were given a commercial probiotic strain (Bactocell® or Levucell®), anendogenous bacterium (Parasaccharibacter apium) or the antibiotic Fumagillin-B®. The treatments were given twice in October 2017 and twice in April 2018. A molecular analysis of the bacterial microbiota was performed to characterize the seasonal changes happening in the honeybee’s gut and the impacts of the treatments on the microbiota’s bacterial community. Colony performance was assessed using brood coverage, number of frames covered in bees and hive weight. The honeybee microbiota was impacted by the sampling month. We observed a compositional shift and a reduction of the bacterial diversity during the study. Furthermore,the probiotic treatments did not impact significantly the composition of the microbiota. BothBactocell® and Levucell® favoured the spring buildup of the treated colonies. Our results indicate that probiotics are useful to improve honeybee colony performance without harming their microbiota. With these results in mind, we aim to developa safe and effective probiotic formulation specific to the Canadian beekeeping industry.