L’étude du microbiote digestif est un enjeu important de recherche en microbiologie. La première partie de cette thèse porte sur la recherche au sein du microbiote digestif de nouveaux antibactériens, qui apparait comme une des pistes clés dans la lutte contre la résistance aux antibiotiques. Les trois quarts des antibiotiques sont des produits naturels, ou dérivés, sécrétés par des microorganismes de l’environnement. Comme lui, le microbiote digestif représente un écosystème complexe où règne une grande compétition. Nous avons recherché des antagonismes de culture dans le microbiote digestif contre les bactéries les plus pathogènes pour l’homme. Nous avons trouvé une inhibition de S. aureus par P. avidum, de E. cloacae par B. fragilis, E. dispar, L. delbruckii, P. acidipropionici, S. equinus, S. gallolyticus, et enfin de E. aerogenes par B. vulgatus et E. dispar. Nous avons également trouvé des clusters de gène de métabolites secondaires dans le génome de ces bactéries. Ce travail préliminaire confirme que le microbiote digestif est une source potentielle de nouveau antibactériens. En dépit de l’explosion du nombre d’espèces isolées dans le microbiote digestif grâce à la culturomics, certaines restent fastidieuses à cultiver. Nous avons analysé par métagénomique et culturomics une selle avant et après incubation anaérobie en présence de 5% de rumen et 5% de sang de mouton. Ce travail montre une dynamique de croissance des bactéries très hétérogène. Le milieu d’enrichissement utilisé était efficace et permettait la culture d’un plus grand nombre d’espèces bactériennes. Ce travail apporte des éléments nouveaux permettant l’optimisation de cette étape de culturomics. / Gut microbiota is a major health concern for microbiologists. Its alterations were previously related to diseases. In the first step of this thesis, we have searched for new antimicrobials within the gut microbiota. Indeed, antibiotic resistance is a global health concern and research for new antibiotics is a cornerstone for fight against it, according to the WHO. Three quarter of all current antibiotics are natural products, or derived from them, synthesised by bacteria and fungi from soil. Gut microbiota is another complex ecosystem with strong competition. We have searched for antagonism in the gut microbiota species against most human pathogenic species. We found an inhibition of growth of S. aureus by P. avidum, of E.cloacae by B. fragilis, E. dispar, L. delbruckii, P. acidipropionici, S. equinus, S. gallolyticus,and an inhibition of E. aerogenes by B. vulgatus and E. dispar. We also found BGCs for all these species. This preliminary work confirm that gut microbiota is a potential source for new antibiotics. Despite the explosion of bacterial species isolated from gut, some fastidious species remains difficult to grow. We performed a metagenomic and culturomics analysis of a fresh stool sample before and after incubation into an anaerobic blood bottle supplemented with sheep blood and rumen fluid. This medium used in culturomics for enrichment was effective, allowing the isolation of higher number of species. This work show that the dynamic growth of bacteria is very variable. This work brings some precisions in the dynamic of bacterial growth that could improve the culturomics process.

Les microorganismes anaérobies représentent la population majoritaire de notre tube digestif et ont un impact remarquable sur notre santé. Leur culture demeure à ce jour longue, fastidieuse et coûteuse et nombreux sont ceux qui restent incultivables. Or la culture est un outil indispensable pour l'étude du microbiote digestif. Ainsi, le laboratoire dans lequel ma thèse s’est déroulée a créé un nouveau concept de culture « Microbial Culturomics » qui a permis d’isoler 193 nouvelles espèces bactériennes anaérobies. Un travail sur l’utilisation des antioxydants pour permettre la culture aérobie des bactéries anaérobies a également été amorcé : une optimisation des techniques de culture prometteuse autour de laquelle mes travaux ont vu le jour. Notre premier projet a consisté à développer un dispositif de culture innovant permettant la culture des archaea méthanogènes en aérobiose et en absence de source externe de dihydrogène. Notre deuxième projet a consisté à élaborer un flacon d’hémoculture unique dans lequel la croissance de toutes les bactéries, aérobies et anaérobies, pouvaient être détectées. Notre troisième projet quant à lui repose sur la comparaison du mode de culture anaérobie et de celui en aérobie avec les antioxydants à travers l’exemple de trois souches bactériennes strictement anaérobies. L’utilisation des antioxydants pour faciliter la culture des microorganismes anaérobies a donc apporter des résultats très prometteurs qui pourrait être utilisés, après validation par des études multicentriques dans les laboratoires de microbiologie clinique et environnementaux. / Anaerobic microorganisms are characterized by their ability to grow and survive in the absence of oxygen. Indeed free oxygen molecules are not used for their metabolism and can be toxic to varying degrees, sometimes leading to cell death. Although it is known that these microorganisms are the predominant in our digestive microbiota and that they have a great impact on our health, their culture remain long, fastidious, costly, and in most cases impossible. Becteria culture is an indispensable tool for isolating strains, performing studies from living models, and identifying new ones. Thus, the laboratory in which my thesis tooks place created a new concept of culture "Microbial Culturomics" which made it possible to isolate 193 new anaerobic bacterial species. A work based on the use of antioxidants to enable the aerobic culture of anaerobic bacteria was also initiated: a promising optimization of the culture techniques from which my work was born. Our first project consisted in developing an innovative culture device allowing the cultivation of methanogenic archaea in aerobic and without an external source of dihydrogen. In our second project, we performed a single culture bottle in which the growth of all bacteria, aerobic and anaerobic, could be detected. Our third project was based on the comparison of anaerobic and aerobic culture with antioxidants through the example of three strictly anaerobic bacterial strains.Therefore the use of antioxidants enable to facilitate anaerobic bacteria cultivation. These results are very encouraging for clinical and environmental microbiology laboratories.

L'avènement des méthodes de séquençage moléculaire à large échelle a permis l'identification d'altérations du microbiote digestif spécifiquement associés à l'obésité notamment un ratio Bacteroidetes/Firmicutes diminué chez les obèses. Depuis, de nombreux travaux ont décrit de nouvelles altérations associées à l'obésité, notamment une augmentation des représentants du genre Lactobacillus mais l'ensemble de ces résultats sont souvent l'objet de controverses. Afin de clarifier si le genre Lactobacillus était associé à l'obésité, nous avons réalisé deux études cas témoins (la deuxième étant le prolongement de la première avec un effectif de 263 individus) qui nous ont permis d'identifier que les altérations du microbiote digestif sont plus reproductibles au niveau de l'espèce. A ce titre nous avons retrouvé une plus grande concentration de Lactobacillus reuteri dans le microbiote digestif de sujets obèses alors que les concentrations de Bifidobacterium animalis, Methanobrevibacter smithii et Escherichia coli étaient diminuées. Nous avons pu établir une relation dose-dépendante entre la concentration de Lactobacillus reuteri et l'indice de masse corporelle. Par ailleurs, nous avons réalisé une méta-analyse sur les résultats des études publiées et avons retrouvé une association entre les genres Bifidobacterium (6 études, 348 individus) et Methanobrevibacter (3 études, 195 individus) avec l'absence d'obésité (…) / The revolution of large scale molecular sequencing methods allowed the identification of specific alterations in the gut microbiota associated with obesity such as a decreased Bacteroidetes / Firmicutes ratio in obese individuals. Since then, many studies have described different alterations associated with obesity, including an increase in members of the Lactobacillus genus, but results are often controversial. To clarify whether the genus Lactobacillus was associated with obesity, we conducted two case-control studies (the second being the follow-up of the first study with a total of 263 individuals) allowing us to understand that gut microbiota alterations are more reproducible at the species level. We found a greater concentration of Lactobacillus reuteri in the gut microbiota of obese while concentrations of Bifidobacterium animalis, Methanobrevibacter smithii and Escherichia coli were reduced. We were able to establish a dose-dependent relationship between the concentration of Lactobacillus reuteri and body mass index. In addition, we performed a meta-analysis on the results of published studies and we found an association between the Bifidobacterium (6 studies, 348 individuals) and Methanobrevibacter (3 studies, 195 individuals) with absence of obesity. (…)

Une consommation élevée de sel a été associée à beaucoup de maladies et à un risque accru de décès. Plusieurs mécanismes sous-jacents, y compris le stress oxydatif, ont été étudiés. Mais la salinité dans l'intestin et l'altération possiblement associée de son microbiote, récemment identifiées comme un symbiote critique de la santé et de la maladie, n'ont pas encore été explorées chez l'homme. En testant 1334 prélèvements de selles, nous avons montré qu'une salinité élevée était associée à une diminution de la diversité globale et à l'émergence de populations microbiennes halophiles dans l'intestin. La salinité fécale était associée au régime alimentaire salé et à l'obésité, conformément aux données épidémiologiques. Aucun procaryote halophile n’a été cultivé en dessous d'un seuil de salinité fécale de 1,5 %. Au-delà de ce seuil, nous avons découvert une diversité inattendue de microbiote halophile humain dont la richesse était corrélée avec les concentrations de sel; 64 espèces différentes ont été isolées, dont 21 nouvelles espèces et 43 espèces connues dans l'environnement mais non chez les humains. Trois procaryotes extrêmement halophiles ont été isolés, dont deux Archaea appartenant au genre Haloferax, avec une nouvelle espèce Haloferax massiliensis, et un nouveau genre bactérien, Halophilibacterium massiliense. D'autres études devraient spécifier les facteurs qui conduisent à la salinité intestinale et préciser si les altérations de microbiota intestinal associées à des niveaux élevés de sel peuvent être liées à des causes humaines / High salt intake has been linked with many diseases and an increased risk of death. Several underlying mechanisms, including oxidative stress, have been investigated, but salinity in human gut and the possible associated alteration of its microbiota recently identified as a critical symbiote of health and disease, have not yet been investigated in humans. Here, by testing 1,334 stools, we have shown that high salinity is associated with a decrease in overall diversity but the emergence of halophilic microbial populations in the intestine. Fecal salinity was associated with saline diet and obesity, according to epidemiological data. No halophilic prokaryote can be grown below a fecal salinity threshold of 1.5%. Beyond this threshold, we discovered an unexpected diversity of human cultured halophilic microbiota whose richness was correlated with salt concentrations; 64 different species were isolated, including 21 new unknown species and 43 known species in the environment but not in humans. Three extremely halophilic prokaryotes were isolated, including two Archaea belonging to the genus Haloferax, with a new species Haloferax massiliensis, and a new bacterial genus, Halophilibacteriums massiliense. Further studies should specify the factors driving gut salinity, and clarify if the gut microbiota alterations associated with high salt levels could be causally related to human diseas

Le microbiote digestif, composé de 1012 à 1014 bactéries par gramme de selle, est dominé par les bactéries anaérobies. Ces dernières, qui dépassent largement les aérobies, ont été découvertes en 1865 par Louis Pasteur dans ses travaux sur la fermentation. Les bactéries anaérobies représentent un intérêt médical particulier par leur implication dans les maladies infectieuses et métaboliques. Les anaérobies sont caractérisés par leur difficulté à être cultivés, car nécessitant une absence ou des concentrations faibles d’oxygène. Ainsi les connaissances sur ces microorganismes étaient limitées. Cependant, avec l’avènement des outils de biologie moléculaire notamment le séquençage à haut débit et le concept culturomics associé à l’identification par spectrométrie de mass MALDI-TOF, la connaissance des microorganismes anaérobies a été accentuée. Dans ce travail, nous nous sommes attelés dans un premier temps à la mise au point d’un milieu de culture efficace pour la culture des bactéries anaérobies et les tests d’activités antimicrobiennes. Nous avons montré dans un deuxième temps que culturomics, associé au MALDI-TOF, était un outil puissant dans l’identification des bactéries anaérobies en microbiologie clinique, mais également dans l’exploration de la diversité microbienne du tube digestif. Cette technique nous a permis d’isoler 19 nouvelles espèces de bactéries anaérobies dont 9 ont été décrites dans la troisième partie de ce travail. / The human gut microbiota is known to contain around 1012 to 1014 bacteria per gram of feces, with the majority being anaerobic. The latters were first discovered in 1865 by Louis Pasteur while working on fermentation. Anaerobic bacteria are known to play an important role in health and diseases and thus have taken a lot of attention in the medical field, especially in infectiousdiseases and metabolism. These bacteria are known for its sophisticated culture system because its growth requires little to no oxygen. Nevertheless, few is known about these type of microorganisms but with the advancement of molecular biology and sequencing techniques, its study became wider. Culturomics, is a recently developed culture-based approach that relies on optimizing culture conditions for bacterial growth and its identification by MALDI-TOF MS and 16S rRNA sequencing. The present work aims to create and optimized culture condition for anaerobic bacteria along with testing its anaerobic activities. Also, we aim to demonstrate the efficiency of Culturomics and MALDI-TOF in culturing, identifying and describing anaerobic bacteria in clinical microbiology and in the human gut. This approach allowed us to isolate 19 new anaerobic species out of which 9 has been described in this work.Keywords: Human gut microbiota, culture of anaerobic bacteria, culturomics, MALDI-TOF.

Depuis plusieurs années, il s’avère de plus en plus clair que le microbiote digestif a un impact remarquable sur la santé humaine. Il est affecté par de nombreux facteurs dont l’alimentation. En effet, en fonction du macronutriment majoritaire d’un régime alimentaire, certaines populations et fonctions bactériennes sont stimulées ou inhibées. Plusieurs pathologies de l’intestin ou liées à des troubles nutritionnels ou métaboliques ont un lien causal avec une altération du microbiote digestif parmi lesquelles la malnutrition sévère aigue. En effet, il a été récemment montré que le microbiote digestif des enfants malnutris était différent et colonisé par des Proteobacteria, des Enterococci, des bacilles Gram-négatifs et des espèces pathogènes. Au cours de nos travaux, une dysbiose est également observée chez nos patients malnutris par métagénomique et par culturomics avec un enrichissement en bactéries aérobies, en Proteobacteria et en espèces potentiellement pathogènes telles que Streptococcus gallolyticus et une perte notable en bactéries anaérobies associée à une perte de la capacité antioxydante du tractus gastro-intestinal révélée par une absence totale de Methanobrevibacter smitii, archeae méthanogène et un des procaryotes les plus sensibles à l’oxygène du tractus gastro-intestinal ainsi que un potentiel redox fécal accru. De plus, une perte de la diversité globale, connue et inconnue, est observée. Enfin, par culturomics et métagénomique, nous avons établi un répertoire des bactéries manquantes chez les malnutris dont treize présentent un potentiel probiotique et pourront être testées comme probiotiques dans un modèle expérimental dans un futur proche. / For the last decade, it has become increasingly clear that the gut microbiota has a tremendous impact on human health. It is affected by several factors among which diet that has a big impact. In fact, according to the major macronutrient in a diet type, specific bacterial populations and functions are stimulated or inhibited. Several pathologies of the gut or linked to nutritional or metabolic disorders among which severe acute malnutrition are causally linked to an alteration of the diversity of the human gut microbiota. In fact, it has recently been shown by several studies that the gut microbiota of malnourished patients was different and colonized by Proteobacteria, Enterococci, Gram-negative bacilli and pathogenic species. The analysis of our data regarding the fecal microbiota of children afflicted with severe acute malnutrition from Niger and Senegal showed a dysbiosis observed through metagenomics and culturomics with an increase of aerobic bacteria, Proteobacteria and pathogenic species such as Streptococcus gallolyticus, and a depletion of anaerobic species associated with a loss of the antioxidant capacity of the gastro-intestinal tract exhibited by a total absence of Methanobrevibacter smithii, a methanogenic archaeon and one the most oxygen sensitive prokaryote of the gut microbiota alongside an increased fecal redox potential. Moreover, a loss of the overall diversity, known and unknown, was observed. Finally, through culturomics and metagenomics, we were able to identify a repertoire of missing microbes in malnourished children among which thirteen presented a probiotic potential and will be tested as such in an experimental model in the near future.

L’étude de la composition de la flore digestive ainsi que son implication avec la santé et les maladies est devenue un enjeu majeur. Nous avons étudié la flore de malades traités par de très nombreux antibiotiques, à la fois par culturomics et par pyroséquençage. Ce travail a montré une diminution importante du nombre de bactéries différentes colonisant le tube digestif après traitement. Cette diminution était d’autant plus importante que le traitement était prolongé. Les bactéries offrant une protection immunitaire contre certains pathogènes, il est à présent proposé des vaccinations contres des microorganismes invasifs après traitement antibiotique au long cours. Par ailleurs, les techniques de séquençage ont montré pour deux des échantillons un haut taux de colonisation par Akkermansia muciniphila, un microorganisme appartenant au phylum des Verrucomicrobia. Ce résultat a par ailleurs été confirmé en utilisant des techniques d’hybridation de fluorescence in situ (FISH). Les tentatives de culture ce microorganisme se sont révélées infructueuses. Au final ce travail nous aura permis de cultiver 7 nouvelles espèces que nous avons décrites en utilisant la taxonogénomique, une approche incluant des données phénotypiques et le séquençage du génome.Nous avons également étudié la flore de patients infectés par le virus du VIH par métagénomique et avons observé une augmentation considérable des bactéries qui supportent l’oxygène, alors que les bactéries intolérantes étaient très diminuées. Ces changements étaient associés aux marqueurs de progression de la maladie, ouvrant la voie à une supplémentation en antioxydants. / The study of the composition of the intestinal flora as well as its involvement with health and disease has become a major issue.We studied the flora of patients treated by broad-spectrum antibiotics by both culture and pyrosequencing. This work showed a significant decrease in the number of different bacteria colonizing the digestive tract after treatment. This decrease was even more important that treatment was extended. Bacteria interacting with immune protection against some pathogens, it is now proposed vaccinations against invasive microorganisms after prolonged antibiotic treatment. Furthermore, the sequencing techniques have shown for two samples a high-level colonization by Akkermansia muciniphila a microorganism belonging to the phylum Verrucomicrobia. Despite the successive failures of culture attempt of this organism, this finding was also confirmed using fluorescence in situ hybridization technique (FISH). Ultimately this work has enabled us to discover 7 new species that have been described using the taxonomogenomics approach which includes phenotypic data and genome sequencing.We also studied the flora of HIV-infected patients by metagenomics, and observed a significant increase in bacteria that withstand oxygen, while intolerant bacteria were deceased. These changes were associated with markers of disease progression, opening the way for antioxidant supplementation.

Le microbiote digestif humain joue un rôle essentiel et bénéfique pour son hôte mais il est également impliqué dans un nombre croissant de pathologies. Les connaissances sur la composition de cet écosystème ont récemment été révolutionnées grâce à l’utilisation de techniques moléculaires. Cependant, ces techniques comportent des limites importantes. C’est ainsi que le concept de « culturomique » a été introduit ; il consiste en la multiplication de milieux et conditions de culture et l’identification rapide de colonies bactériennes par spectrométrie de masse (MALDITOF) ou par amplification et séquençage du gène de l’ARN ribosomal 16S. Dans la première partie de ce travail, nous avons mis en évidence une association entre la présence de Clostridium butyricum dans les selles et la survenue d’entérocolite ulcéro-nécrosante que ce soit par méthodes de pyroséquençage et culture ou par PCR quantitative en temps réel spécifique de C. butyricum; identifié après séquençage du génome complet de toutes nos souches de C. butyricum, la présence du gène de la β-hémolysine (toxine). Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons montré par cuturomique que les bactéries à Gram-négatif (BGN) étaient fréquemment disséminées au sein du microbiote cutané transitoire des patients hospitalisés en réanimation ; le réservoir serait essentiellement digestif. En conclusion, le microbiote digestif constitue un réservoir sousestimé de bactéries pathogènes. La microbiologie moderne incluant les nouvelles méthodes de culture permet d’étendre de manière considérable les connaissances sur la composition de cet écosystème et son implication en pathologie humaine. / He human gut microbiota plays an important and beneficial role in its host but it is also involved in a growing number of diseases. Knowledge of the composition of this ecosystem have recently been revolutionized by the use of molecular techniques. However, these techniques have significant limitations. Thus, the concept of "culturomics" has been introduced; it consists of the multiplication of culture conditions and the rapid identification of bacterial colonies by mass spectrometry (MALDI-TOF) or by PCR 16S RNA gene sequencing. In the first part of this work, we have demonstrated an association between the presence of Clostridium butyricum in the stool and the occurrence of necrotizing enterocolitis whether by pyrosequencing methods and Culture or by quantitative PCR specific real time C. butyricum; identified after sequencing the complete genome of all our strains of C. butyricum, the presence of the gene of β-hemolysin (toxin). In the second part of this work, we showed by cuturomics that Gram-negative bacteria (BGN) were frequently spread out over the transitional skin microbiota of patients hospitalized in intensive care; the reservoir would essentially digestive. In conclusion, the gut microbiota is an underestimated reservoir of pathogenic bacteria. Modern microbiology including new culture-based methods is currently extending exponentially our knowledge on gut microbiota giving rise to new insights into the pathogenesis or the transmission of infectious diseases.