Clostridium difficile is the most common bacterial cause of infectious diarrhoea in healthcare environments and in 2014 was responsible for 13,785 infections in the UK. C. difficile infection (CDI) is spread via the faecal-oral route and by contact with contaminated surfaces. However, despite the healthcare concerns no tests are available to validate if sufficient cleaning has been conducted. In addition, Polymerase Chain Reaction (PCR) and Enzyme Immunoassays (EIAs)-based tests used to diagnose CDI lack sensitivity and specificity and hence false negative results are commonly obtained. To overcome these concerns the aim of the PhD research has been to develop the first diagnostic test that exploits the specific interactions of C. difficile bacteriophages (phages), viruses that specifically infect and kill C. difficile. In order to develop a C. difficile phage-based test, first suitable phages that can be used for the test were identified and this was conducted by screening 35 different C. difficile phages against 160 clinically relevant C. difficile isolates. Five phages were found to infect the most number of isolates and were investigated further to identify whether a phage-based diagnostic could be developed based on phages binding (adsorption) to different C. difficile subgroups. However, for all five phages, adsorption rates were not consistently high for C. difficile subgroups in comparison to other common bacteria found in similar locations to C. difficile. Therefore, to increase specificity of the phage-based diagnostic test a new approach was taken by tagging two phages with luminescence luxAB genes (reporter phages), which would be expressed once C. difficile cells were infected with the phages. To design the C. difficile reporter phages, non-essential phage genes were replaced with the luxAB genes, but this study revealed mutagenesis of C. difficile was troublesome and extensive optimisation was required. In addition, once the reporter phages had successfully been constructed the luxAB genes were unstable within the phage genome and were lost during phage replication. Despite extensive optimisation and due to time constrains the luxAB genes were not stabilised within the phages but future work will focus on stabilising the genes.

Mass production of translationally optimized bacteriophages (hereafter referred to as phages) is the need of the hour in the application of phages to therapy. Understanding translational efficiency of phages is the major preliminary step for mass producing efficient phages. The objective of this thesis is to understand factors affecting translational efficiency of phages. In chapter two, we hypothesized that weak translation initiation efficiency is responsible for weak codon concordance of Escherichia coli lambdoid phages with that of their hosts. We measured the strength of translation initiation using two indices namely minimum folding energy (MFE) and proportion of Shine-Dalgarno sequence (PSD). Empirical results substantiate our hypothesis suggesting lack of strong selection for improving codon adaptation in these phages is due to their weak translation initiation. In chapter three, we measured codon usage concordance between GC-rich and GC-poor Aeromonas phages with their GC-rich host Aeromonas salmonicida. We found low codon usage concordance in the GC-poor Aeromonas phages. We were interested in testing for the role of tRNAs in the GC-poor phages. We observed that the GC-poor phages carry tRNAs for codons that are overused by the phages and underused by the host. These findings suggest that the GC-poor Aeromonas phages carry their own tRNAs for compensating for the compositional difference between their genomes and that of their host. Previously several studies have reported observed avoidance of stable secondary structures in start site of mRNA in a wide range of species. We probed the genomes of 422 phage species and measured their secondary structure stability using MFE. We observed strong patterns of secondary structure avoidance (less negative MFE values) in the translation initiation region (TIR) and translation termination region (TTR) of all analyzed phages. These findings imply selection is operating at these translationally important sites to control stable secondary structures in order to maintain efficient translation.

The global spread of multi- and pan-resistant bacteria has triggered research to identify novel strategies to fight these pathogens, such as antimicrobial peptides and, more recently, bacteriophages. In a proof-of-concept study, we have genetically modified lytic T7Select phages targeting Escherichia coli Rosetta by integrating DNA sequences derived from the proline-rich antimicrobial peptide, apidaecin. This allowed testing of our hypothesis that apidaecins and bacteriophages can synergistically act on phage-sensitive and phage-resistant E. coli cells and overcome the excessive cost of peptide drugs by using infected cells to express apidaecins before cell lysis. Indeed, the addition of the highly active synthetic apidaecin analogs, Api802 and Api806, to T7Select phage-infected E. coli Rosetta cultures prevented or delayed the growth of potentially phage-resistant E. coli Rosetta strains. However, high concentrations of Api802 also reduced the T7Select phage fitness. Additionally, plasmids encoding Api802, Api806, and Api810 sequences transformed into E. coli Rosetta allowed the production of satisfactory peptide quantities. When these sequences were integrated into the T7Select phage genome carrying an N-terminal green fluorescent protein (GFP-) tag to monitor the expression in infected E. coli Rosetta cells, the GFP–apidaecin analogs were produced in reasonable quantities. However, when Api802, Api806 and Api810 sequences were integrated into the T7Select phage genome, expression was below detection limits and an effect on the growth of potentially phage-resistant E. coli Rosetta strains was not observed for Api802 and Api806. In conclusion, we were able to show that apidaecins can be integrated into the T7Select phage genome to induce their expression in host cells, but further research is required to optimize the engineered T7Select phages for higher expression levels of apidaecins to achieve the expected synergistic effects that were visible when the T7Select phages and synthetic Api802 and Api806 were added to E. coli Rosetta cultures.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d’appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d’identifier l’ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d’eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d’autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d’eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l’étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d’acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l’ensemble de la colonne d’eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L’existence de ce processus d’oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu’une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l’activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d’eau douce. (...) / Methane, a major greenhouse gas, is produced and consumed mainly by the metabolic activity of microorganisms affiliated to the domains Archaea and Bacteria. In order to understand the biogeochemical cycling of methane, it is essential to identify all the biological actors involved, as well as environmental factors modulating their activity. Freshwater lakes are a major source of methane because environmental conditions occurring in these ecosystems favor methanogenesis over other terminal processes of anaerobic degradation of organic matter. In this thesis, studies of communities involved in the biogeochemical cycling of methane were carried out in the water column and anoxic sediment of Lake Pavin (Auvergne), the unique French meromictic lake. This ecosystem has been selected as study site due to the high concentrations of methane in its deep water layer which contrast with the very low emission of this gas in the atmosphere. These geochemical observations suggest an intense activity of production and consumption of methane, providing an appropriate framework for studying the communities involved. Molecular approaches to characterize the spatial structure, composition, activity areas and factors (bottom-up and top-down) potentially involved in the regulation of methanogens and methanotrophs were, in this work, systematically associated to cultural and microcalorimetric approaches to acquire data on the physiology of microorganisms involved in the methane cycle. The results show that methanogens are distributed throughout the permanent anoxic water column (monimolimnion) and mainly in the superficial layer of the sediment situated under the monimolimnion. This metabolic group, mainly represented by species affiliated to Methanosaetaceae and Methanoregulaceae, is particularly active in the benthic zone which would be the main source of methane in this ecosystem. A new species of methanogen, Methanobacterium lacus, was isolated from these sediments and described. It enhances to the small number of methanogenic species isolated to date from freshwater lakes. The ecophysiological study of this strain suggests that the temperature could partly explain the low representation of Methanobacteriales in this ecosystem. A part of the methane appears to be directly consumed in the anoxic zone (pelagic and benthic). The existence of this process of anaerobic oxidation, supported by microcalorimetric approaches, could be in deep sediments, dependent on archaeal candidate lineages whose physiology remains enigmatic. The gradual replacement of methanogens by two archaeal candidate lineages (MBG-D and MCG) along the sedimentary profile suggests that they live in contrasted niche. The putative regulation of the archaeal communities by virus was analyzed. This study has reported the first observations of archaeovirus-like particles in a non-extreme environment (in term of temperature, pH and salinity) and virus-like particles which might represent new viral families. An intense viral activity in these sediments is suggested by i) the important number of visibly infected cells and ii) the concomitant change of the viral and prokaryotic communities with depth. While a fraction of methane is probably oxidized anaerobically, the consumption of this metabolite is mainly dependent on the activity of aerobic methanotrophs dominated by species affiliated to the genus Methylobacter, one of the main types of methanotrophs found in freshwater environments.These methanotrophs have a large area of activity, extending around both sides of the red/ox interface in the water column. This wide distribution may partly explain the low quantity of methane released by the Lake Pavin. (...)

Mon travail de thèse a porté sur le ciblage de la vascularisation tumorale : des molécules ciblant l'endothélium tumoral ont été recherchées dans le but d'amener des molécules thérapeutiques spécifiquement vers l'endothélium tumoral afin de le détruire et d'atteindre la tumeur qui en dépendait. D'après les données de la littérature, deux cibles ont été choisies pour notre étude : la sélectine E et l'endogline. La sélectine E est une glycoprotéine surexprimée à la surface de l'endothélium activé des zones inflammatoires et tumorales. Classiquement, des antagonistes de son ligand naturel, le SleX, sont recherchés. En nous appuyant sur les groupements clés de l'interaction entre la sélectine E et le SleX, plusieurs familles de mimes du SleX ont été élaborées. La capacité de ces mimes à déplacer l'interaction du SleX exprimé à la surface des cellules HL-60 avec la sélectine E a été évaluée dans un test d'adhésion. Cependant, aucun des mimes testés n'a présenté une affinité suffisante pour envisager son utilisation comme tête de ciblage. Une deuxième stratégie a consisté à rechercher des ligands peptidiques de la sélectine E en criblant des HUVECs activées avec une banque de peptides sur phages. Plusieurs phages-peptides testés en ELISA ont montré une meilleure affinité pour la sélectine E et / ou avec la sélectine P par rapport au phage sans insert. Des tests de compétition avec des peptides synthétiques correspondants permettront d'évaluer leur spécificité pour la cible. En ce qui concerne l'endogline, des ligands peptidiques ont été recherchés avec une banque de peptides sur phages. Dans un premier temps, le gène codant l'endogline humaine a été cloné dans un vecteur d'expression eucaryote afin de réaliser la sélection sur la protéine cellulaire. Une sélection sur la protéine recombinante a été réalisée par la suite pour diminuer le bruit de fond lié aux cellules. Parmi les peptides obtenus, certains ont montré des homologies de séquence avec des ligands de l'endogline et le test de ces phages-peptides en ELISA sur la protéine recombinante a donné un fort signal par rapport au phage sans insert. Ces peptides seront caractérisés prochainement. En conclusion, des ligands peptidiques des sélectines E et P et de l'endogline ont peut-être été identifiés. Ce travail a par ailleurs permis de mettre en place les outils nécessaires à l'utilisation de la technologie de sélection avec des banques de peptides sur phages dans les meilleures conditions possibles.

O estudo da diversidade viral em amostras ambientais tem se tornado cada vez mais importante devido a funções-chave desempenhadas por esses organismos. Estudos recentes têm fornecido evidências de que vírus de bactérias (bacteriófagos) podem ser os principais determinantes em ciclos biogeoquímicos de grandes ecossistemas, além de atuarem no fluxo de genes entre comunidades ambientais e na plasticidade funcional das mesmas frente a estresses ambientais. Neste trabalho, propomos a investigação e caracterização da diversidade viral presente em amostras de compostagem através de abordagens não dependentes e dependentes de cultivo. Na primeira abordagem, coletamos amostras seriadas de uma unidade de compostagem do zoológico de São Paulo para realização de sequenciamento metagenômico. O conjunto de sequências gerado foi extensivamente minerado (data-mining) para a produção de resultados de diversidade e abundância de táxons virais ao longo do processo de compostagem. Adicionalmente, procedemos com a montagem e recuperação de sequências virais candidatas a genomas completos e/ou parciais de novos vírus ambientais. Os dois protocolos computacionais utilizados para a mineração de dados encontram-se definidos e automatizados, podendo ser aplicados em quaisquer conjuntos de dados de sequenciamento metagenômico ou metatranscritômico obtidos através da plataforma Illumina. A segunda abordagem correspondeu ao isolamento e caracterização de novos fagos de Pseudomonas obtidos de amostras de compostagem. Três novos fagos foram identificados e tiveram os seus genomas sequenciados. A caracterização genômica desses fagos revelou genomas com alto grau de novidade, insights sobre a evolução de Caudovirales e a presença de genes de tRNA, cuja função pode estar relacionada com um mecanismo dos fagos para contornar o viés traducional apresentado pela bactéria hospedeira. A caracterização experimental dos novos fagos isolados demonstrou grande potencial para lise e dissolução de biofilme da cepa Pseudomonas aeruginosa PA14, conhecida como agente causador de infecções hospitalares em pacientes imunodeprimidos. Em suma, os dados reunidos nesta dissertação caracterizam a diversidade presente no viroma da compostagem e contribuem para o entendimento dos perfis taxonômico, funcional e ecológico do processo. / The study of the viral diversity in environmental samples has become increasingly important due to key-roles that are performed by these organisms in our ecosystems. Recent publications provide evidence that viruses of bacteria (bacteriophages) may be key-players in biogeochemical cycles of large ecosystems, as oceans and forests. Besides, they may also be determinant in the genes flux among populations and in the plasticity of the communities face to environmental stresses. In this work, we propose the investigation and characterization of the viral diversity in composting samples through non-culturable and culturable-dependent approaches. In the first approach, we sampled a composting unit from the Sao Paulo Zoo Park in different time points and proceeded with metagenomic sequencing. The dataset generated was extensively mined to provide results of diversity and abundance of viral taxa through the composting process. Additionally, we proceeded with the assembly and retrieval of candidate sequences to partial or/and complete viral genomes. The two computational protocols were automatized as pipelines and can be applied to any metagenomic dataset of illumina reads. The second approach refers to the isolation and characterization of new Pseudomonas phages obtained from composting samples. Three new phages were identified and their genomes were sequenced. A detailed characterization of these genomes revealed high degree of novelty, insights about evolution of tailed-phages and the presence of tRNA genes, which may be related to a mechanism to bypass host translational bias. The experimental characterization of the new phages demonstrated great potential to lyse bacterial cells and to degrade Pseudomonas aeruginosa PA14 biofilms. In short, the data presented in this dissertation shed light to the composting virome diversity, as well as to the functional and ecological profiles of viruses in the composting environment.

Lambdoid phages suppress transcription termination to fully express their genes. Antitermination of early gene expression in most lambdoid phages is mediated by an interaction between the N protein and a number of host-encoded factors. Bacteriophage HK022 does not rely on a protein for antitermination. To promote full expression of early phage genes, the transcripts of the HK022 put sites interact directly with RNA polymerase to convert it to a termination resistant form. Bacteriophage HK639 also uses RNA-mediated antitermination. However, it only possesses a single put-like element in its left operon. Because most lambdoid phages, including HK022, have antiterminator elements in each of their early operons, the presence of a single antitermination site in HK639 was unexpected. We have shown that host genes involved in promoting protein-mediated antitermination are not required for HK639 growth. We have also shown that expression of the left operon is essential for lytic growth. Replacement of the left operon promoter, PL, and the putL antitermination sequence prevented HK639 phage release. A similar construct that only replaced putL also prevented phage release. These results suggest that antitermination is required for HK639 excision and/or lytic growth. To distinguish between a defect in phage excision versus a defect in lytic growth, the mutations were crossed onto lytically growing phage. Recombinant phages could not be recovered which suggests a defect in lytic growth is preventing phage release. Additional replacements of left operon sequences suggest that antitermination is not the only requirement for lytic growth. A 2,161bp deletion (HK639 genome coordinates 30,888-33,048) and a 1,736bp deletion (HK639 genome coordinates 29,152- 30,887) downstream of the HK639 putL site also prevented phage release, whereas a 1,746bp deletion (HK639 genome coordinates 29,151-27,406) did not. These results suggest that the deleted HK639 left operon sequences are required for lytic growth. BLAST analysis did not provide insight into the function of the deleted genes. Although the function of many of the HK639 left operon genes is unknown, their importance in phage growth can now be verified by complementation analysis. Our results suggest that HK639 may use a novel mechanism to control the expression of its early genes.

Le méthane, un des principaux gaz à effet de serre, est majoritairement produit et consommé par l'activité métabolique de microorganismes affiliés aux domaines des Archaea et des Bacteria. Afin d'appréhender le cycle biogéochimique du méthane, il est essentiel d'identifier l'ensemble des acteurs impliqués dans ce dernier ainsi que les facteurs environnementaux modulant leurs activités. Les lacs d'eau douce constituent une source importante de méthane, car, dans ces écosystèmes, les conditions environnementales favorisent la méthanogenèse au détriment d'autres processus terminaux de la dégradation anaérobie de la matière organique. Au cours de cette thèse, les études sur les communautés impliquées dans le cycle biogéochimique du méthane ont été conduites dans la colonne d'eau et les sédiments anoxiques du Lac Pavin (Auvergne), unique lac méromictique de France. Cet écosystème a été choisi comme site d'étude en raison des fortes concentrations en méthane présentes dans sa couche d'eau profonde qui contrastent avec les faibles émissions de ce gaz vers l'atmosphère. Ces observations géochimiques suggèrent une intense activité de production et de consommation du méthane, offrant un cadre pertinent pour l'étude des communautés ciblées. Les approches moléculaires visant à caractériser la structure spatiale, la composition, les zones d'activité et les facteurs (ascendants et descendants) potentiellement impliqués dans la régulation des communautés de méthanogènes et de méthanotrophes ont été, au cours de ce travail, systématiquement associées à des approches culturales et microcalorimétriques afin d'acquérir des données sur la physiologie des microorganismes impliqués dans le cycle du méthane. Les résultats obtenus mettent en évidence que les communautés de méthanogènes sont distribuées sur l'ensemble de la colonne d'eau anoxique et dans la strate superficielle des sédiments profonds. Ce groupe métabolique, essentiellement représenté par des espèces affiliées aux Methanosaetaceae et aux Methanoregulaceae, est particulièrement actif dans la zone benthique qui constituerait la source principale de méthane dans cet écosystème. Une nouvelle espèce méthanogène, Methanobacterium lacus, a été isolée de ces sédiments et décrite, et vient enrichir le faible nombre d'espèces méthanogènes isolées à ce jour à partir des lacs d'eau douce. L'étude écophysiologique de cette souche suggère que la température pourrait en partie expliquer la faible représentativité des Methanobacteriales dans cet écosystème. Une partie du méthane semble être directement consommée dans la zone anoxique (pélagique et benthique). L'existence de ce processus d'oxydation anaérobie, soutenu par les approches microcalorimétriques, pourrait être, dans les sédiments profonds, sous la dépendance de lignées candidates archéennes dont la physiologie reste encore énigmatique. Le remplacement progressif des méthanogènes par 2 lignées candidates d'archaea (MBG-D et MCG) le long du profil sédimentaire suggère qu'elle se développe dans des niche contrastées. La régulation putative des communautés archéennes par les virus a été analysée. Cette étude est la première à rapporter la présence de particules virales de type "archaeovirus" dans un environnement non-extrême (en termes de température, pH et salinité) ainsi que des particules virales pouvant représentées de nouvelles familles de virus. Une activité virale intense est suggérée dans ces sédiments par le nombre important de cellules infectées, comparativement à d'autres sédiments, et par le changement concomitant de la structure de la communauté virale et procaryotique avec la profondeur. Bien qu'une partie du méthane soit probablement oxydée en anaérobiose, la consommation de ce métabolite est principalement dépendante de l'activité de méthanotrophes aérobies dominées par des espèces affiliées au genre Methylobacter, un des principaux genres de méthanotrophes rencontré en milieu d'eau douce. (...)