Escherichia coli possède une grande plasticité génomique comme en témoigne la diversité des souches à l’intérieur de cette espèce bactérienne. Bien que la majorité des souches soient inoffensives ou à tout le moins opportunistes, plusieurs ont acquis des facteurs de virulence spécifiques leur procurant un pouvoir pathogénique. Les souches pathogènes comme E. coli O157 :H7 sont responsables de cas de morbidité, mortalité et pertes économiques importantes dans l’industrie agro-alimentaire dans le monde entier. L’évolution bactérienne est un mécanisme continuel qui se fait via l’échange d’éléments génétiques mobiles, de mutations ponctuelles et autres réarrangements génétiques. Ces changements génétiques peuvent procurer des avantages sélectifs permettant une adaptation bactérienne rapide face aux stress et changements environnementaux et favorisant le développement de pathogènes émergents. Dans la première partie de ce projet, nous avons étudié la région intergénique mutS-rpoS, qui est une des plus grandes sources de polymorphisme chromosomique chez les entérobactéries. Notre analyse génomique comparative a permis de confirmer le polymorphisme à l’intérieur même d’un ensemble de souches Escherichia spp., Salmonella spp. et Shigella spp. De plus, nous avons pu confirmer que certains types de polymorphismes dans la région mutS-rpoS étaient fortement associés à certains types de pathogènes chez E. coli. Dans notre analyse, nous avons ressorti un groupe de gènes à l’intérieur de la région mutS-rpoS qui pourraient sevir comme marqueur chromosomique intéressant pour les E. coli extra-intestinaux (ExPEC), un groupe comprennant des souches hautement pathogènes et difficiles à définir par les tests actuelllement disponibles. Dans notre analyse bio-informatique, nous avons isolé ce groupe de gènes associé aux ExPEC et nous l’avons caractérisé in sillico. Nous avons également inclus dans l’analyse deux souches hypermutables du genre Escherichia spp. de notre collection, isolées d’animaux de ferme. L’hypermutabilité ou la capacité d’acquérir des mutations plus rapidement que la normale accélère le processus d’évolution et la capacité d’adaptation de ces souches. La région mutS-rpoS est reliée au système de réparation de l’ADN bactérien (MMRS) et pourrait être impliquée dans l’apparition du phénotype d’hypermutabilité. Durant les dernières années, de plus en plus d’espèces du genre Escherichia ont été isolées de cas cliniques d’animaux et d’humains. Ces souches atypiques ont un potentiel de virulence très élevé, des combinaisons de gènes de virulence et des variants génétiques différents des souches typiques, et certaines souches ont même évolué en tant que pathogènes. Les souches de l’espèce E. albertii ont été isolées récemment et ont un grand potentiel de virulence autant chez les humains que chez les oiseaux. Ces souches sont souvent confondues avec d’autres organismes pathogènes comme E. coli dans les tests biochimiques, et le manque de connaissances sur E. albertii rend son identification difficile. Dans la deuxième partie de ce projet, nous avons identifié des gènes spécifiques aux souches d’E. albertii ainsi que des gènes de virulence présents chez E. albertii par comparaisons génomiques, ce qui a permis de développer et optimiser un test PCR (réaction en chaîne par polymérase) visant l’identification génomique rapide et fiable d’E. albertii.

La détection et l’identification de micro-organismes pathogènes est un réel enjeu de santé public tant au niveau alimentaire, que clinique ou d’intérêt national tel qu’illustré en biodéfense. Dans tous ces domaines, il est important d‘avoir des méthodes d’identification et de détection qui soient à la fois rapide, sensible et robuste. Cette thèse a pour objectif de contribuer au développement d’une approche rapide d’identification de micro-organismes sans a priori par spectrométrie de masse en tandem. Cette approche innovante, appelée phylopeptidomique, repose sur l’alliance de la peptidomique, i.e. analyse à large échelle des peptides provenant de la digestion enzymatique d’un échantillon biologique, et de la phylogénie des organismes cellulaires. Après extraction des protéines présentes dans l’échantillon à ausculter, des peptides sont générés et analysés par spectrométrie de masse en tandem. La déconvolution des signaux MS/MS à l’aide du logiciel « µOrg.ID » développé en propre au laboratoire permet d’identifier et quantifier les organismes présents dans l’échantillon en fonction des organismes indexés dans les bases de données. L’étude du protéome de Bacillus atrophaeus, agent simulant de l’anthrax, sous forme sporulée et végétative a permis d’illustrer une méthode d’identification de biomarqueurs protéiques permettant de déterminer le ratio entre les deux formes dans un échantillon. La limite de détection de la phylopeptidomique dans des échantillons purs et des échantillons en mélange équimolaire a été établie sur des bactéries modèles d’intérêts médical et environnemental. La limite de détection de spores de Bacillus atrophaeus en présence de 14 matrices interférentes (alimentaires, environnementales et autres) a permis de mettre en évidence les avantages et limitations de l’approche. Enfin, un mélange artificiel standardisé de 24 organismes a été développé afin d’évaluer les outils de bio-informatique en métaprotéomique. / The detection and identification of pathogenic microorganisms is a real public health issue for the food industry and the clinics or national interest as illustrated in the biodefense field. Thus, it is important to have identification and detection methods that are fast, sensitive and robust. This PhD thesis aims at contributing to the development of a rapid approach to identify microorganisms without any a priori by tandem mass spectrometry. This innovative approach, called phylopeptidomics, is based on the combination of peptidomics, i.e. large scale analysis of peptides derived from the enzymatic digestion of a biological sample, and the phylogeny of cellular organisms. After extraction of the proteins from the sample of interest, peptides are generated and analyzed by tandem mass spectrometry. The deconvolution of MS/MS signals using the "μOrg.ID" software developed in the laboratory enables the identification and quantification of organisms present in the sample according to the organisms indexed in generalist databases. The study of the proteome of Bacillus atrophaeus, a simulant agent of anthrax, in sporulated and vegetative form, has provided an illustration of a new method of identification of protein biomarkers, which allows determining the ratio between both forms. The limit of detection of phylopeptidomics in pure samples and equimolar mixtures was established with model bacteria of medical and environmental interests. The limit of detection of B. atrophaeus spores in the presence of 14 interfering matrices (food, environmental and others) has highlighted the advantages and limitations of the approach. Finally, a standardized artificial mixture of 24 organisms was developed in order to evaluate bioinformatics tools in metaproteomics.

Cette thèse porte sur deux aspects complémentaires, le développement et l’implémentation de nouvelles approches de cristallisation et de cristallographie sérielle ainsi que leur mise en œuvre dans l’étude structurale de complexes enzymes : ARNt. La cristallographie est la méthode la plus employée en biologie structurale, mais elle présente encore des points délicats. Plusieurs méthodes avancées ont été déployées dans ce travail pour y pallier qui ont conduit à la résolution de la structure de l’ARNt nucléotidyltransférase du psychrophile Planococcus halocryophilus et à l’étude de son adaptation structurale au froid ; des puces microfluidiques de cristallisation qui ont servi à la résolution de plusieurs structures à température ambiante par cristallographie sérielle ; enfin le Xtal Controller utilisé pour l’étude d’évènements de nucléation et de croissance cristalline dans un but de préparation d’échantillons pour analyse sous rayonnement XFEL. Entre autres systèmes biologiques, cette thèse présente la caractérisation de deux familles d’inhibiteurs visant les aspartyl-ARNt synthétases, notamment du pathogène Pseudomonas aeruginosa. / This thesis focuses on two complementary aspects, the development and implementation of new approaches of crystallization and of serial crystallography as well as their use in the structural study of enzymes/tRNA complexes. Crystallography is the most used method in structural biology, but it presents delicate points. Different methods were implemented in this work to overcome these points, which led to the resolution of the structure of the CCA-adding enzyme of the psychrophilic organism Planococcus halocryophilus and to the study of its structural adaptation to the cold; novel microfluidic crystallization chips that have been used for the resolution of several structures by serial crystallography at room-temperature; finally the Xtal Controller used for the study of nucleation and crystal growth events with the purpose of preparing samples for analysis under XFEL radiation. Among other biological systems, this thesis presents the study and characterization of two families of inhibitors targeting aspartyl-tRNA synthetases, including the one of the pathogenic organism Pseudomonas aeruginosa.