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.

Au Canada, les abeilles sont un élément essentiel au secteur de l'agriculture en participant, en plus de leur production annuelle de miel à la pollinisation de nombreux fruits, noix et légumes. Malheureusement, le nombre des abeilles est dangereusement en baisse depuis la dernière décennie. L'intérêt du sujet et la multiplication d'initiatives de recherche dans le domaine ont fait de l'abeille un organisme modèle, notamment dans la recherche sur la dynamique hôte-microbiote. Apis mellifera possède un microbiote très spécialisé qui confère à l'abeille un large éventail de fonctions bénéfiques, allant de l'immunité à la transformation du pollen et la digestion des carbohydrates. Ce projet avait donc pour objectif de trouver des biomarqueurs prédictifs de différents traits de performance zootechniques (e.g. prévalence d'agents pathogènes et parasites, productivité) des colonies d'abeilles à partir de la composition taxonomique du microbiote intestinal. Une approche par apprentissage machine a été privilégiée afin de contourner les limitations des méthodes classiques de traiter un grand nombre de variables. Les modèles de prédiction obtenus ont permis de prédire la majorité des variables à l'étude avec succès, soulignant le potentiel de cette méthodologie dans le domaine du suivi et de la prédiction de l'état de santé des colonies d'abeilles au Canada. / The European honey bee, Apis mellifera, is an essential contributor to agriculture in Canada through the economic value of the production of honey to the extensive pollination services of numerous fruits, nuts and vegetables. Unfortunately, yearly colony losses of honey bees have seen a sharp increase during the last decade. The increasing interest and research initiatives in understanding the source of this problem have turned Apis mellifera into a model organism for research, notably in the field of host-microbiome dynamics. A. mellifera possesses a highly specialized microbiota that provides a wide array of beneficial functions to its host, from immunity to pollen processing and transformation to the metabolism of carbohydrates. This work's goal is to use the intestinal microbiome in honey bee colonies in order to discover relevant bio-markers with the capability to predict key host health and productivity metrics by using a machine learning approach in order to bypass the traditional bottleneck that is posed by classical analysis methods when dealing with high multi-dimensional problems. The models obtained in this study have successfully allowed the prediction of most variables studied (notably honey production, weight loss and gain, varroa loads, etc..), thus demonstrating the potential of this methodology as a tool to track and predict the health and performance of honey bee colonies in Canada.

Titre de l'écran-titre (visionné le 4 décembre 2024) / Le microbiome intestinal a évolué avec son hôte humain et joue un rôle crucial dans la santé physique et mentale. Cependant, les données sur le métagénome de l'intestin sont biaisées en faveur des populations au mode de vie industrialisé. Jusqu'à présent, la majorité des communautés non industrielles étudiées dépendent d'un régime alimentaire principalement composé d'aliments riches en fibres issus de la cueillette locale. Tandis que, les populations industrialisées consomment principalement des aliments de supermarché caractérisés par une faible teneur en fibres et une forte teneur en matières grasses. Les caractéristiques taxonomique et fonctionnelle du microbiome de ces populations ont été décrites par de nombreuses études métagénomique. En revanche, il existe peu de données métagénomiques sur des populations telles que les Inuits du Nunavik, dont l'alimentation repose sur des produits animaux chassé localement. Nous avons donc émis l'hypothèse que nous identifierions une composition d'espèces et des capacités fonctionnelles distinctes dans les microbiomes intestinaux du Nunavik par rapport aux métagénomes non industrialisés et industrialisés. En outre, nous avons postulé que nous pourrions reconstruire les génomes de bactéries précédemment inconnues dans les métagénomes intestinaux des Inuits du Nunavik. Tout d'abord, nous avons généré des données de séquençage shotgun en profondeur à partir de 279 échantillons donnés par des résidents du Nunavik. Ensuite, nous avons choisi des échantillons provenant de populations non industrialisées et industrialisées dans une base de données publique pour qu’ils servent de groupes de comparaison. Nous avons utilisé une méthode basée sur les lectures de séquençage non assemblées pour réaliser un profilage taxonomique et fonctionnel des échantillons du Nunavik et de comparaison. Enfin, nous avons utilisé une approche basée sur l'assemblage des lectures de séquençage pour reconstruire des génomes assemblés du métagénome (MAG), identifier et décrire des espèces microbiennes non caractérisées présentes dans le microbiome intestinal du Nunavik. Mes travaux ont démontré que le microbiome intestinal des jeunes Inuits du Nunavik présente une plus grande diversité intraindividuelle, une plus faible diversité inter-individuelle et qu'il est distinct de celui de leurs homologues non industrialisés et industrialisés. De plus, nous avons identifié des signatures taxonomiques et fonctionnelles uniques qui distinguent les microbiomes du Nunavik des groupes de comparaison. En outre, nous avons reconstruit un total de 30365 MAG, représentant 840 génomes non redondants qui appartiennent chacun à une seule espèce bactérienne. Parmi les 840 MAG non redondants, 734 sont des représentants d'espèces décrites et ont été classés comme MAG connus (kMAG). En revanche, 101 n'ont pas été assignés au niveau taxonomique de l'espèce, et 5 représentent des genres non caractérisés ; nous les avons donc classés comme MAGs inconnus (uMAGs). De plus, nous avons démontré que les uMAGs sont fortement associés au microbiome intestinal du Nunavik par rapport aux populations non industrialisées et industrialisées. Enfin, une analyse fonctionnelle complète a démontré que près de 30 % des gènes prédits dans les uMAGs ont des fonctions inconnues. Dans son ensemble, mon projet de doctorat fournit une description complète des profils taxonomiques et fonctionnels du microbiome intestinal des Inuits du Nunavik. Les études réalisées dans le cadre de cette thèse démontrent que le microbiome intestinal du Nunavik est différent de celui de populations ayant des modes de vie et des environnements différents des Inuits. Ensemble, les résultats de mes travaux contribuent à réduire les biais des bases de données, à améliorer la représentativité et à maximiser le profilage taxonomique. Ce projet de doctorat permet donc de mieux comprendre la composition bactérienne de l'intestin humain. Par conséquent, ces résultats ont le potentiel d'améliorer les modèles prédictifs de l'état de santé, non seulement pour les jeunes Inuits du Nunavik, mais aussi pour l'ensemble de la population. / The gut microbiome has co-evolved with its human host and plays a crucial role in physical and mental health. However, Human gut metagenome data are biased toward populations following an industrialized lifestyle. Until now, most non-industrial communities studied depend on a diet primarily composed of locally foraged fiber-rich foods. Whereas industrialized populations predominantly consume market food characterized by low fiber high fat contents. The taxonomic and functional characteristics of the gut microbiome of these populations have been described by numerous metagenomic studies. In contrast, there is limited metagenomic data from populations such as the Nunavik Inuit, who rely on naturally sourced animal products in their diet. Hence, we hypothesized that we would identify distinct species composition and functional capabilities in Nunavik gut microbiomes compared to non-industrialized and industrialized metagenomes. Additionally, we postulated that we could reconstruct genomes of previously unknown bacteria from Nunavik Inuit gut metagenomes. We first generated deep shotgun sequencing data from 279 samples donated by Nunavik resident. Next, we chose samples from non-industrialized and industrialized populations available in a public database to serve as comparison groups. We performed read-based taxonomic and functional profiling of metagenomic data for Nunavik and comparison samples. Lastly, we used an assembly-based approach to reconstruct metagenome assembled genomes (MAGs) and identify previously uncharacterized microbial species within the Nunavik gut microbiome. My work demonstrated that the Nunavik Inuit youth gut microbiome exhibits higher intra-individual diversity, lower interindividual diversity, and is distinct from their non-industrialized and industrialized counterparts. Furthermore, we identified unique taxonomic and functional signatures discriminating Nunavik microbiomes from comparison groups. In addition, we reconstructed a total of 30,365 MAGs, representing 840 distinct non-redundant genomes that each belong to a single bacterial species. Among the 840 non-redundant MAGs, 734 are representatives ofdescribed species and were categorized as known MAGs (kMAGs). In contrast, 101 were unassigned at the species level, and 5 represent uncharacterized genera, thus, we classified them as unknown MAGs (uMAGs). Furthermore, we demonstrate that uMAGs strongly associate with Nunavik gut microbiome compared to nonindustrialized and industrialized population. Finally, comprehensive functional analysis demonstrated that close to 30% of genes predicted in uMAGs have unidentified functions. Overall, my doctoral project provides a comprehensive description of the Nunavik Inuit gut microbiome taxonomic and functional profiles. Studies performed for this thesis demonstrate that the Nunavik gut microbiome is different from populations with different lifestyles and environment. Together my work findings contribute to reducing database bias, enhancesrepresentativeness and maximizes taxonomic profiling. Hence, it allows for a more comprehensive understanding of the bacterial composition of the Human gut. As a result, it has the potential to improve predictive models of health status not only for young Nunavik Inuit but also for the broader population

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La prévalence de l'obésité a atteint des proportions pandémiques et représente un facteur de risque majeur pour une variété de désordres métaboliques, dont la résistance à l'insuline et la dyslipidémie, ce qui contribue l'apparition de troubles cardiométaboliques comme le diabète de type 2 et la stéatose hépatique non-alcoolique. Pour tenter de freiner la prévalence de l'obésité et les comorbidités qui y sont associées, plusieurs stratégies nutritionnelles ont été élaborées. Pourtant, l'efficacité de ces approches est encore limitée, ce qui renforce l'urgence d'identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Une abondante littérature scientifique a établi une relation entre le microbiote intestinal et les maladies cardiométaboliques. Ainsi, les travaux de cette thèse regroupent plusieurs interventions nutritionnelles visant à étudier la relation entre le microbiote intestinal et la progression de ces désordres métaboliques chez la souris et l'humain. D'une part, les polyphénols suscitent un important intérêt dans le contexte de l'amélioration du profil métabolique et du microbiote intestinal. L'impact des anthocyanines et des proanthocyanidines isolés de bleuets en corymbe (*highbush*) sur la santé métabolique et le microbiote intestinal a été évalué chez la souris dans le premier chapitre de cette thèse. Ces travaux ont montré que les polyphénols prévenaient la détérioration du profile métabolique, et que certains paramètres étaient transmissibles par transplantation fécale. Des études animales antérieures ont aussi montré qu'un extrait de camu-camu riche en polyphénols prévenait le gain de poids, protégeait contre la stéatose hépatique en modifiait la composition du microbiote intestinal dans un modèle de souris obèse, mais aucun essai clinique n'avait encore étudié l'impact du camu-camu sur ces paramètres. Chez des sujets présentant une détérioration métabolique, la supplémentation en camu-camu s'est traduite par une diminution de la graisse hépatique et des niveaux circulants de marqueurs de lésions hépatiques. Ces changements étaient également associés à une modification dans la composition du microbiote intestinal. D'autre part, la consommation excessive de sucres ajoutés est reconnue comme étant néfaste pour la santé cardiométabolique. Pourtant, les méta-analyses indiquent que leur remplacement par des édulcorants artificiels non-caloriques ne se traduit pas systématiquement par une diminution de la prévalence des désordres métaboliques. Le stévia est un édulcorant naturel associé à des effets neutres ou bénéfiques sur la santé métabolique, mais son arrière-goût décourage plusieurs consommateurs. L'isolation des composantes sucrées du stévia au profil gustatif amélioré, dont les rebaudiosides A (RebA) et D (RebD), représente une alternative, mais leur impact sur la santé reste peu étudié à ce jour. L'objectif du chapitre trois était d'étudier l'impact du RebA et du RebD sur la santé métabolique et le microbiote intestinal chez la souris. Le RebD a diminué le gain de poids, la stéatose hépatique et un marqueur d'endotoxémie métabolique en plus de modifier le métabolisme des acides biliaires et la composition du microbiote intestinal. Le RebA a eu un effet neutre sur ces paramètres. Une autre stratégie nutritionnelle identifiée pour se prémunir des effets néfastes associés à la surconsommation de sucres ajoutés est de remplacer les sucres raffinés par des sucres moindrement transformés et riches en composés phytochimiques, comme le sirop d'érable. Dans le quatrième chapitre de cette thèse, la substitution de sucres raffinés par une dose équivalente de sirop d'érable représentant 10% de l'apport calorique total chez la souris s'est traduite par une moins grande détérioration de la résistance à l'insuline, une diminution de la stéatose hépatique et par des changements dans la composition et les fonctions du microbiote intestinal. Enfin, le cinquième chapitre de cette thèse visait à étudier l'impact d'une substitution de sucres raffinés par une dose équivalente de sirop d'érable correspondant à 5% de l'apport calorique total sur les paramètres cardiométaboliques et le microbiote intestinal fécal de sujets présentant une détérioration métabolique. Cette étude a montré que le sirop d'érable réduisait plusieurs facteurs de risque cardiométabolique, dont la tension artérielle systolique, l'aire sous la courbe de la glycémie lors du test de tolérance au glucose et la graisse abdominale androïde, en plus de tendre à réduire la pression artérielle diastolique par rapport au placébo. Les travaux de cette thèse montrent qu'il existe une relation étroite entre l'alimentation, le microbiote intestinal et la santé métabolique. Ce manuscrit propose des pistes d'interventions nutritionnelles susceptibles d'enjoindre la population à effectuer de meilleurs choix alimentaires pour prévenir les désordres métaboliques. / The prevalence of obesity has reached pandemic proportions and represents a major risk factor for a variety of metabolic disorders, such as insulin resistance and dyslipidemia, which contribute to the development of cardiometabolic disorders such as type 2 diabetes (T2D) and non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD). To decrease the prevalence of obesity and its associated comorbidities, several nutritional strategies have been developed. However, the effectiveness of these approaches is still limited, which reinforces the urgency of identifying new therapeutic targets. An abundant scientific literature has established a relationship between the gut microbiota and cardiometabolic diseases. This thesis gathers several nutritional interventions aimed at studying the relationship between the gut microbiota and the progression of these metabolic disorders in both mice and humans. Polyphenols are attracting significant interest in the context of improving metabolic health and modifying the gut microbiota composition. The impact of anthocyanins and proanthocyanidins isolated from highbush blueberry on metabolic health and gut microbiota was assessed in mice in the first chapter of this thesis. This work showed that polyphenols prevented the deterioration of the metabolic profile, and that certain parameters were transmissible by fecal transplantation. Previous animal studies have also shown that a polyphenol-rich camu-camu extract prevented weight gain, protected against fatty liver disease, and altered the composition of the gut microbiota in an obese mouse model, but no clinical trial had further studied the impact of camu-camu on these parameters. In subjects presenting mild metabolic deterioration, camu-camu supplementation resulted in decreased liver fat and lower circulating markers of liver injury. These changes were also associated with changes in the gut microbiota composition. Excessive consumption of added sugars is known to be detrimental to cardiometabolic health. However, meta-analyses indicate that their replacement by non-caloric artificial sweeteners does not systematically result in a decrease in the prevalence of metabolic disorders. Stevia is a natural sweetener associated with neutral or beneficial effects on metabolic health, but its bitter aftertaste discourages many consumers. The isolation of the sweet components of stevia with an improved taste profile, including rebaudiosides A (RebA) and D (RebD), represents an interesting alternative, but their impact on health remains poorly studied to date. The objective of chapter three was to investigate the impact of RebA and RebD on metabolic health and gut microbiota in mice. RebD decreased weight gain, hepatic steatosis, and a marker of metabolic endotoxemia in addition to altering bile acid metabolism and gut microbiota composition. RebA had a neutral effect on these parameters. Another nutritional strategy identified to prevent the harmful effects associated with the overconsumption of added sugars is to replace refined sugars with sugars that are less processed and rich in phytochemicals, such as maple syrup. In the fourth chapter of this thesis, the substitution of refined sugars by an equivalent dose of maple syrup representing 10% of the total caloric intake in mice was less deleterious on insulin resistance and hepatic steatosis and was associated with changes in the composition and functions of the gut microbiota. Finally, the fifth chapter of this thesis aimed to study the impact of substituting refined sugars by an equivalent dose of maple syrup corresponding to 5% of the total caloric intake on cardiometabolic parameters and the gutmicrobiota composition of subjects with mild metabolic deterioration. This study showed that maple syrup reduced several cardiometabolic risk factors, including systolic blood pressure, area under the glucose tolerance test, and android abdominal fat, and tended to decrease diastolic blood pressure compared to placebo. The work of this thesis shows that there is a close relationship between the diet, the gut microbiota and metabolic health. This manuscript proposes avenues for nutritional intervention likely to enjoin the population to make better food choices to prevent metabolic disorders.