La conservation de microorganismes d’intérêt (ferments, probiotiques) sous forme sèche et revivifiable est très répandue dans l’industrie. Cependant, les procédés de déshydratation conduisent à des taux de survie variables en fonction du groupe, de l’espèce et de la souche de microorganismes considérée ainsi que du type de procédé utilisé (séchage, lyophilisation, congélation). La membrane plasmique (MP), de par sa position entre l’environnement intra et extracellulaire, est une cible privilégiée des perturbations hydriques. Les modifications de cette structure lors de stress hydriques sont décrites pour être directement impliquées dans la mort des microorganismes. La compréhension des réponses membranaires se produisant pendant un cycle de déshydratation/réhydratation est essentielle afin d’optimiser la survie des microorganismes lors des procédés de déshydratation. Les manipulations réalisées lors de cette étude ont visé à caractériser les modifications fonctionnelles (intégrité) et structurales (déformations, répartition latérale de microdomaines riches en stérols) de la MP de Saccharomyces cerevisiae lors de différents types de perturbations hydriques (déshydratations osmotiques de différentes amplitudes et cinétiques, séchage dans différentes ambiances gazeuses). L’impact de la composition de la MP sur la survie des levures a également été étudié par l’utilisation de mutants accumulant différents types de stérols au niveau membranaire. Ce travail a confirmé la forte implication de la MP dans la mort des cellules lors de perturbations hydriques. L’étude des modifications membranaires a permis d’élucider le lien entre la cinétique de déshydratation et la survie des levures. Il a également été montré que l’ergostérol est une molécule clé dans la survie des levures aux perturbations hydriques. / Preservation of microorganisms of interest (ferments, probiotics) in dry form is widespread in the industry. However, the dehydration processes lead to variable survival rates according to the group, species and strain of microorganism considered, but also according to the type of process used (drying, freeze drying, freezing). The plasma membrane (PM), by its position between the intra-and extracellular environment, is a target of hydric perturbations. Changes in this structure during hydric stresses are described to be directly involved in microorganism death. Understanding of membrane responses occurring during a dehydration/rehydration cycle is essential to maximize the survival of microorganisms in the process of dehydration.Manipulations performed in this study aimed to characterize functional (integrity) and structural (deformations, lateral distribution of sterol-rich microdomains) changes of the PM of Saccharomyces cerevisiae during different types of hydric perturbations (osmotic dehydration of different magnitudes and kinetics, drying in different gas atmospheres). The impact of the composition of PM on yeast survival was also studied by using mutants accumulating different types of sterols in membranes. This work confirmed the strong involvement of the PM in cell death during hydric perturbations. The study of membrane changes helped to elucidate the relationship between the kinetics of dehydration and survival of yeasts. It has also been shown that ergosterol is a key molecule for the survival of yeasts during hydric perturbations.

L'interaction des glycosphingolipides de la membrane plasmique avec les protéines de liaison aux glucides (lectines) est d'une importance vitale pour l'infection de la cellule hôte par divers virus et bactéries. Dans ce travail, nous avons exploré l’interaction des lectines LecA de la bactérie P. aeruginosa et de la sous-unité B de la toxine Shiga (StxB) de S. dysenteriae avec son récepteur à membrane plasmatique, le globotriaosylcéramide (Gb3). De plus, nous avons étudié l'interaction de la bactérie complète P. aeruginosa avec Gb3. Afin de déchiffrer l'interaction lectine-Gb3 en l'absence d'autres composants cellulaires, nous avons utilisé les systèmes de membrane artificielle - vésicules unilamellaires géantes (GUV) et bicouches lipidiques supportées (SLB). Nous avons observé la liaison de la lectine en utilisant différents modes de microscopie à fluorescence (confocal, TIRF, etc.). Nous examinons la liaison des deux lectines aux domaines membranaires de différents ordres et compositions. Nous avons constaté que StxB préfère des domaines membranaires plus ordonnés alors que LecA est moins préférentiel. De plus, les deux lectines induisent la réorganisation des domaines membranaires: StxB stabilise les domaines ordonnés, les réduit et induit la formation des nouveaux domaines ordonnés. D'autre part, LecA ainsi que la bactérie P. aeruginosa induisent la dissolution des domaines ordonnés. Nous pensons que ces processus de réorganisation membranaire sont cruciaux pour l’infection bactérienne. / The interaction of plasma membrane glycosphingolipids with the carbohydrate binding proteins (lectins) is of vital importance for the infection of the host cell by various viruses and bacteria. In this work, we explored the interaction of the lectins LecA from the bacterium P. aeruginosa and B subunit of Shiga toxin (StxB) from S. dysenteriae with its plasma membrane receptor globotriaosylceramide (Gb3). Moreover, we studied the interaction of the complete bacterium P. aeruginosa with Gb3. In order to decipher the lectin-Gb3 interaction in absence of other cellular components we employed the artificial membrane systems – Giant unilamellar vesicles (GUVs) and Supported lipid bilayers (SLBs). We observed the lectin binding using different modes of fluorescence microscopy (confocal, TIRF, etc…). We examine the binding of both lectins to the membrane domains of different ordere and composition. We found that StxB prefers more ordered membrane domains whereas LecA is less preferential. Moreover, both lectins induce the reorganization of the membrane domains: StxB stabilizes ordered domains, shrinks them and induces the formation of the novel ordered domains. On the other hand LecA, as well as the bacterium P. aeruginosa induce the dissolution of the ordered domains. We believe, these membrane reorganization processes are crucial for the bacterial infection.

Neisseria meningitidis est une bactérie diderme qui colonise le nasopharynx humain de façon commensale. Occasionnellement, elle franchit la barrière nasopharyngée et accède à la circulation sanguine où elle peut provoquer un choc septique et/ou une méningite Le pouvoir pathogène de N. meningitidis est lié à sa capacité à interagir avec les cellules endothéliales humaines. Après avoir adhéré aux cellules grâce à des organelles filamenteux, les pili de type IV, les bactéries induisent une déformation de la membrane plasmique de la cellule hôte sous la forme de protrusions riches en actine ressemblant à des filopodes. Ces protrusions permettent aux bactéries de résister aux forces de cisaillements générées par le flux sanguin et de proliférer à la surface des cellules. Contrairement à de nombreuses autres bactéries pathogènes, cette déformation de la membrane plasmique ne nécessite pas de polymérisation d’actine. Cependant, les mécanismes cellulaires et moléculaires de cette déformation sont inconnus. Dans cette étude, nous montrons que lorsque des bactéries individuelles adhèrent à la cellule hôte, la membrane plasmique se déforme en adhérant le long des fibres de pili de type IV de façon similaire au mouillage d’un liquide sur un solide. Les pili de type IV agissent donc comme un échafaudage extracellulaire qui guide les protrusions de membrane plasmique indépendamment du cytosquelette d’actine. Nous montrons également que la capacité de la membrane plasmique à se déformer le long de structures adhésives nanométriques est une propriété intrinsèque des cellules endothéliales. Ces travaux décrivent le mécanisme d’une étape importante de la pathophysiologie de N. meningitidis et mettent en évidence des propriétés nouvelles de la membrane plasmique des cellules humaines qui pourraient être impliquées dans d’autres processus fondamentaux de biologie cellulaire. / Neisseria meningitidis is a diderm bacterium that is naturally found in the human nasopharynx as a commensal. Occasionally, it can cross the mucosa and reach the underlying blood vessels where it enters the circulation. Once in the bloodstream, it can cause severe septic shock and/or meningitis. The ability of N. meningitidis to cause disease is tightly linked to its ability to interact with human endothelial cells. In particular, upon bacterial adhesion via filamentous organelles called type IV pili, bacteria remodel the host cell plasma membrane in the form of actin-rich, filopodia-like protrusions. These protrusions allow bacteria to resist blood flow-generated shear stress and proliferate on top of the host cells. Unlike many other bacterial pathogens, plasma membrane remodeling induced by N. meningitidis does not require actin polymerization. Yet, the cellular and molecular mechanisms of this process are unknown. Here, we show that upon adhesion of individual bacteria, the host cell plasma membrane deforms by adhering along type IV pili fibers in a wetting-like fashion. Therefore, type IV pili act as an extracellular scaffold that guide plasma membrane protrusions in an F-actin-independent manner. We further show that the ability of the plasma membrane to deform along nanoscale adhesive structures is an intrinsic property of endothelial cells. Therefore, this study uncovers the mechanism of a key step of N. meningitidis pathophysiology and reveals novel properties of human cell plasma membrane that could be at play in other fundamental cellular processes.

Les techniques de fluorescence sont très puissantes pour l'étude des processus biologiques. Les applications de ces techniques requièrent une amélioration constante des sondes fluorescentes, avec un intérêt particulier pour les sondes sensibles à l'environnement. Le but de ce travail était de caractériser et d'appliquer de nouvelles sondes fluorescentes pour l'étude des biomembranes. A cet effet, deux familles de sondes ont été pris en compte. La première famille (F2N12S, F46NS et F66NS) est basée sur le fluorophore 3- hydroxyflavone, qui est caractérisé par une émission duale due à une réaction de transfert de proton à l'état excité. Ces sondes permettent la caractérisation des propriétés de leur environnement par le rapport d'intensité de leurs deux bandes (N*/T*). La seconde famille est basée sur le fluorophore hautement solvatochromique Rouge Nil (NR12S), présentant une seule bande d'émission permettant une mesure ratiométrique à partir des deux bords du spectre. Les propriétés de ces sondes ont été caractérisées dans des modèles lipidiques, puis dans ses membranes plasmiques de cellules eucaryotes vivantes en utilisant diverses techniques de fluorescence (la spectroscopie de fluorescence, la microscopie et la cytométrie de flux). Par la suite, ces sondes ont été utilisées pour l'étude de l'ordre lipidique membranaire en réponse à divers stimuli. Ces sondes sont capables de mettre en évidence et suivre les changements de la membrane plasmique de la cellule au cours de l'apoptose. En outre, nous avons mis au point une nouvelle application de la sonde NR12S, qui est lesuivi de l'ordre lipidique des compartiments endocytaires au cours de la maturation des endosomes. Par conséquent, les sondes fluorescentes membranaires décrites apparaissent comme de bons outils pour caractériser les propriétés physico-chimiques de la membrane et la relation entre la phase lipidique et les phénomènes physiologiques comme l'apoptose et l'endocytose.

Des lymphocytes B (LB) appelés LB régulateurs (LBreg) jouent un rôle primordial dans le contrôle de la réponse immunologique.Ces LBreg peuvent être induits suite à une stimulation. Ainsi, le Toll-like receptor (TLR) 9, récepteur de l’immunité innée, participe à cette induction. La voie de signalisation du TLR9 est déficiente chez les patients atteints de lupus érythémateux disséminé qui souffrent d’hyperinflammation chronique et dont les LBreg sont défectueux. Pour étudier le TLR9, des anticorps commerciaux sont classiquement utilisés. Parmi eux, l’anticorps monoclonal de souris anti-TLR9 26C593.2 cible un épitope présent à la membrane plasmique des LB. De plus, cet anticorps active les LB in vitro et bloque l’effet du CpG-ODN, agoniste du TLR9 endosomal. Nous montrons dans ce travail que cinq anticorps anti-TLR9 commerciaux ne sont pas spécifiques du TLR9 et reconnaissent d’autres antigènes. Quatre anticorps sont pourtant capables de reconnaître une protéine TLR9 recombinante commerciale. Afin de contourner le problème de spécificité de ces anticorps, nous avons construit un TLR9 chimérique tagué par une hémagglutinine (TLR9-HA).Trois anticorps reconnaissent cette protéine surexprimée dans des cellules transfectées.Cependant, aucun TLR9-HA ne semble être présent à la membrane plasmique des cellules transfectées. Cette approche nous a permis de démontrer que les anticorps anti-TLR9 se fixent à la membrane plasmique sur une autre cible que le TLR9. Il sera intéressant d’identifier cette protéine afin de mieux comprendre l’effet de l’anticorps anti-TLR9 monoclonal de souris sur l’activation et plus particulièrement sur l’acquisition des propriétés régulatrices des LB. / Regulatory B cells (Breg) play a key role in regulating the immunological response.This regulatory behaviour can be induced by stimulation of the B cells. Toll-like receptor 9 (TLR9), an innate immune receptor, participate to that induction. TLR9 signalling pathway is deficient in B cells from systemic lupus erythematosus patients suffering from chronic hyper-inflammation and having defective Breg cells. To study TLR9, commercial antibodies are commonly used. Among them, the anti-TLR9 monoclonal antibody 26C593.2 targets an epitope located at the plasma membrane of the B cells. Moreover, this particular antibody activates the B cells in vitro and blocks the CpGODN effects, an agonist of the endosomal TLR9. In this work, we show that five commercial antibodies are not specific for the TLR9 protein and recognize other antigens.However, four tested antibodies can recognize recombinant TLR9 molecule. In order to avoid the specificity problem, we achieved to build a chimeric TLR9 protein expressing a hemagglutinin tag at its C-terminal region (TLR9-HA). Three antibodies efficiently target this overexpressed protein in transfected cells.However, no TLR9-HA molecule seems to be located at the plasma membrane of transfected cells. This approach allowed us to demonstrate that anti-TLR9 antibodies recognize another target than TLR9. It would of interest to identify that protein in order to better understand the mouse monoclonal anti-TLR9 antibody effect on B cell activation and Breg properties.

Les techniques de fluorescence sont très puissantes pour l'étude des processus biologiques. Les applications de ces techniques requièrent une amélioration constante des sondes fluorescentes, avec un intérêt particulier pour les sondes sensibles à l’environnement. Le but de ce travail était de caractériser et d'appliquer de nouvelles sondes fluorescentes pour l’étude des biomembranes. A cet effet, deux familles de sondes ont été pris en compte. La première famille (F2N12S, F46NS et F66NS) est basée sur le fluorophore 3- hydroxyflavone, qui est caractérisé par une émission duale due à une réaction de transfert de proton à l’état excité. Ces sondes permettent la caractérisation des propriétés de leur environnement par le rapport d’intensité de leurs deux bandes (N*/T*). La seconde famille est basée sur le fluorophore hautement solvatochromique Rouge Nil (NR12S), présentant une seule bande d'émission permettant une mesure ratiométrique à partir des deux bords du spectre. Les propriétés de ces sondes ont été caractérisées dans des modèles lipidiques, puis dans ses membranes plasmiques de cellules eucaryotes vivantes en utilisant diverses techniques de fluorescence (la spectroscopie de fluorescence, la microscopie et la cytométrie de flux). Par la suite, ces sondes ont été utilisées pour l’étude de l’ordre lipidique membranaire en réponse à divers stimuli. Ces sondes sont capables de mettre en évidence et suivre les changements de la membrane plasmique de la cellule au cours de l'apoptose. En outre, nous avons mis au point une nouvelle application de la sonde NR12S, qui est lesuivi de l’ordre lipidique des compartiments endocytaires au cours de la maturation des endosomes. Par conséquent, les sondes fluorescentes membranaires décrites apparaissent comme de bons outils pour caractériser les propriétés physico-chimiques de la membrane et la relation entre la phase lipidique et les phénomènes physiologiques comme l'apoptose et l'endocytose. / Fluorescence techniques are powerful tools for studying biological processes. Therefore, the need for improved fluorescent probes used with these techniques continuously increases. The task of the present work was to characterize and to apply new fluorescent probes for biomembrane studies. For this purpose, two families of environment-sensitive probes have been considered. The first family is based on the 3-hydroxyflavone fluorophore (F2N12S, F46NS and F66NS). These dyes undergo an excited state intramolecular proton transfer reaction leading to their dual emission, highly sensitive to the environment. These probes allow the characterization of their environment properties through the ratio of intensities of their two bands (N*/T*) and present improved properties compared to F2N12S. The second family is based on the highly solvatochromic Nile Red fluorophore, exhibiting one emission band allowing a ratiometric measurement between its blue- and red-parts. We focused on one representative probe NR12S, which is a close structural analogue of F2N12S. The probe properties were characterized in lipid models, and in plasma membranes of living cells using a variety of fluorescence techniques (fluorescence spectroscopy, microscopy and flow cytometry). NR12S was then applied to study the lipid order in cell plasma membranes and its changes in response to several stimuli. Interestingly, this probes can evidence and monitor changes in the cell plasma membrane during apoptosis. Moreover, one novel application of the fluorescent membrane probe NR12S was the monitoring of lipid order in endocytic compartments during the maturation of endosomes. Thus, the described fluorescent membrane probes appear as powerful tools to determine the physico-chemical properties of the membrane and the relationship between lipid phase and physiological phenomena, such as apoptosis and endocytosis.

La connaissance et la compréhension des propriétés électrocinétiques des cellulesapportent de multiples applications en recherche biomédicale, comme le diagnostic et le suivi del'évolution d'un cancer. L'application de champs électriques alternatifs non-uniformes dans desmicrosystèmes, et plus particulièrement la force de diélectrophorèse, permet de caractériser despopulations de cellules sans marqueur spécifique.Nous avons tout d'abord mené une étude fondamentale pour décrire de la réponse des celluleshumaines dans telles conditions. La compétition entre les forces diélectrophorétique et électro-hydrodynamiques (effets électrothermiques, électro-osmose) a été modélisée. La confrontation dumodèle à l'observation expérimentale du mouvement de telles cellules dans des canaux micro-fluidiques comportant des électrodes micro structurées a été effectuée. À partir de cette étude,une nouvelle méthode de détermination de la fréquence de coupure de cellules humaines sur unnombre statistique de cellules représentant une population a été élaborée.Ensuite, nous avons étudié les fréquences de coupure entre des lignées issues de différents tissusépithéliaux (rein et prostate) ou de cellules circulantes. Il a été démontré que les fréquences decoupure sont statistiquement différentes entre les lignées. Les méthodes développées ont ainsipermis de mesurer les différentes signatures électriques de cellules cancéreuses de prostates àchaque stade d'évolution du cancer.Enfin, nous nous sommes intéressés à comprendre les mécanismes de polarisation des cellulessous champ électrique alternatif. Nous avons modifié la membrane des cellules chimiquement oubiologiquement pour comprendre l'origine moléculaire de la fréquence de coupure. Il a été mis enévidence que la concentration en protéines et l'activité de certains canaux ioniques augmententsignificativement la fréquence de coupure des cellules.En exploitant les effets de la diélectrophorèse sur les cellules, il devient possible de caractériserfinement leurs propriétés diélectriques, et de proposer à plus long terme de nouvelles technologiesde détection et de diagnostic / Measuring and understanding cells' electrokinetic properties bring several appli-cations in the biomedical field, like the diagnosis and the monitoring of cancer diseases. Theapplication of alternative non uniform electric fields in microsystems, in particular the dielec-trophoretic force, allows a label-free characterization of cell populations.In this Thesis, a comprehensive study has been established to describe the response of humancells in non-uniform AC fields. We have modeled the competition between dielectrophoresisand electro-hydrodynamical forces (electrothermal effects, AC electro-osmosis). This model wascompared to the observation of cell motions in microfluidic channels with structured electrodes.We have established a new method to determine the crossover frequencies of human cells on astatistically relevant number of cells, which represents a population.Then, the Clausius-Mossotti factor of cell lines has been measured, from different epithelial tis-sues (kidney, prostate) or circulating cells. We have demonstrated that the crossover frequenciesare statistically different between these lines. This method has been used to monitor the differentelectrical signatures of prostate cancer cells at each grade of cancer.Finally, we have focused on the polarization process of cells regarding the electric field. We havemodified chemically and biologically cell membranes to understand the molecular origin of thecrossover frequency. The membrane proteins depletion and the activity of some ion channelssignificantly increase the cell crossover frequency.By taking advantage of the dielectrophoretic response of cells, it becomes possible to characte-rize their dielectric properties and to develop new technologies for cancer detection and diagnosis

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La membrane plasmique constitue la première entité séparant la cellule de son environnement. A ce rôle de barrière s'ajoute celui de réguler la. Par conséquent, la membrane plasmique est une zone privilégiée pour le passage d'information. Cependant, son étude reste difficile, ne serait-ce que par l'extraordinaire complexité d'organisation de cet assemblage supramoléculaire.Mon projet de thèse vise à développer de nouvelles approches expérimentales pour explorer plus spécifiquement l'organisation et le rôle de la membrane plasmique d'une cellule dans les mécanismes de transduction de l'information. Deux axes ont été privilégiés : le premier, concerne la description de la dynamique d'organisation de la membrane ; le deuxième concerne l'inter-connectivité et la transmission du signal d'une cellule avec d'autres partenaires.Ce manuscrit se compose de plusieurs parties. Le premier chapitre introduira succinctement les questions biologiques. Dans le second chapitre, je présenterai des méthodes utilisées pour l'étude de la membrane. J'y présenterai aussi une série d'observation que j'ai réalisée sur la diffusion de l'EGFR. Le troisième chapitre sera consacré à la technique de corrélation croisée de fluorescence depuis le montage jusqu'à l'étude du modèle EGFR. Dans la quatrième partie, nous verrons comment les collaborations à l'interface biophysique ont permis des développements innovants sur un système de pinces optiques holographiques. J'y présenterai les applications de ce système à différent modèles d'intérêt biologique. Enfin, je conclurai ce document par une brève discussion autour des résultats obtenus aussi bien d'un point de vue méthodologique que biologique. / The plasma membrane separates the cell from its environment. But it is more than a barrier any cell has to communicate with the outside world. Therefore the plasma membrane plays a prime role in transferring and exchanging information. However, the biological study of the plasma membrane remains difficult due to the extraordinary complexity of it organization.My thesis is a part of an effort to develop new experimental approaches to explore more specifically the organization and the role of the plasma membrane in the signal transduction mechanisms. Two major aspects were followed: the first one concerns the description of the dynamics of membrane organization and of molecular interactions, the second concerns the inter-connectivity and signal transduction between a cell and other biological partners.This manuscript is composed of several parts. The first chapter briefly introduces the biological questions that I tried to answer. In the second chapter, I present the methods commonly used to study the membrane with a dynamic perspective. Additionally, I include a series of observations that I made on the EGF receptor diffusion. The third chapter is devoted to the fluorescence cross-correlation technique to study the assembly of the EGFR. In the fourth part, I demonstrate how scientific collaborations at the interface between biology and physics have led to the development of innovative solutions on a holographic optical tweezers system. I present applications of this system in different biological models. Finally, I conclude this thesis with a brief discussion about my technological and biological results.

La membrane plasmique de la cellule est composée de lipides et interagit notamment avec le squelette de la cellule (le cytosquelette), par l'intermédiaire de protéines d'ancrages et de lipides clefs qui jouent un rôle spécifique dans certains types d'interactions. Parmi les protéines intervenant dans l'ancrage direct de la membrane plasmique au cytosquelette, des protéines de la famille des ERM (Ezrine, Radixine, Moésine) peuvent interagir spécifiquement avec un lipide, le phosphatidylinositol (4,5) biphosphate (PIP2), d'une part et avec l'actine du cytosquelette d'autre part. Dans le but de comprendre les interactions entre membrane plasmique et cytosquelette, nous avons réalisé des expériences in vitro sur des systèmes comportant un nombre minimal de constituants : des vésicules géantes (GUV) contenant du PIP2, de l'ezrine recombinante et de l'actine purifiée. Nous avons mis en évidence que la liaison au PIP2 induit des changements conformationnels de l'ezrine. L'ezrine est alors capable d'interagir avec les filaments d'actine. Nous avons caractérisé quantitativement l'incorporation de PIP2 dans la membrane de vésicule géantes, et montré que l'interaction de l'ezrine avec les vésicule géante contenant du PIP2, induit un partitionnement du lipide dans la bicouche lipidique et conduit à la formation d'agrégats de PIP2 et d'ezrine sur la membrane. La connaissance des effets de l'ezrine sur les membranes contenant du PIP2 et la connaissance des différents mécanismes se produisant lors des interactions permettra de définir plus précisément le rôle de l'ezrine in cellulo.