Face à l'émergence de bactéries multi-résistantes aux antibiotiques, il est nécessaire de trouver de nouvelles molécules, actives contre les bactéries, ou qui inhibent leurs mécanismes de résistance et restaurent ainsi l'activité des antibiotiques existants. Dans ce contexte, nous avons mis en place un système de criblage robotisé à moyen débit permettant d'étudier l'activité de molécules sur des bactéries en milieu liquide. Les composés testés sont des molécules synthétiques, provenant de la Chimiothèque nationale du CNRS, et des extraits naturels de plantes. La collection de bactéries utilisée se compose de souches sensibles et de nombreuses souches résistantes. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés à la résistance par mécanisme d'efflux actif. Nous avons étudié en particulier deux systèmes d'efflux chez Staphylococcus aureus: la pompe NorA, qui confère une résistance multiple aux antibiotiques, dont les fluoroquinolones, et la pompe Msr(A), qui est spécifique des macrolides. Un premier criblage sur les souches sensibles (Escherichia coli et S. aureus) permet de détecter des molécules ayant une activité antibactérienne. Pour celles-ci, une étude plus approfondie est menée. Les molécules dépourvues d'activité antibactérienne sont ensuite testées sur les deux souches de S. aureus résistantes par efflux, pour déceler une potentielle activité d'inhibiteur de pompe. Cette activité est alors confirmée par des expériences d'accumulation de l'antibiotique. Au cours de cette étude, une nouvelle série de molécules présentant une bonne activité antibactérienne vis-à-vis des deux souches sensibles a été mise en évidence. Des résultats préliminaires indiquent que ces molécules inhibent la synthèse des protéines. Le criblage réalisé vis-à-vis de la pompe d'efflux NorA a mis en évidence trois familles de molécules actives, dont on a vérifié qu'elles permettent de restaurer l'activité de plusieurs antibiotiques efflués par la pompe. Un criblage similaire réalisé sur la protéine Msr(A) a révélé quelques touches qui montrent une synergie avec l'antibiotique efflué; leur activité sur l'accumulation de l'antibiotique doit être vérifiée. Par ailleurs, un modèle tridimensionnel de la protéine Msr(A) a été établi, par homologie avec les pompes cristallisées de la même famille (protéines à ATP-Binding Cassette). Ce modèle est en cours de validation.

La bactérie à Gram-negatif Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste impliqué dans les infections nosocomiales et touchant essentiellement les individus immunodéprimés. Parmi les mécanismes de résistance aux antibiotiques, leur efflux actif par un système de transport transmembranaire appelé Mex (Multi-drug Efflux pump) a pris une grande importance clinique. Ces systèmes d'efflux sont constitués d'un assemblage de trois protéines différentes : une porine de la famille OMF (Outer Membrane Factor), un transporteur de la famille RND (Resistance Nodulation Division) localisé dans la membrane interne et un adaptateur périplasmique de la famille MFP (Membrane Fusion Protein) assurant la cohésion du système. Le sujet de thèse porte sur l'étude structurale, essentiellement par cristallographie RX, de la pompe d'efflux MexXY-OprM qui présente la particularité d'être spécifique aux antibiotiques de la famille des aminoglycosides.

Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste impliqué dans les infections nosocomiales. Sa multi résistance aux antibiotiques s'exerce notamment grâce à l'activation de pompes d'efflux membranaires. Il s'agit de systèmes tripartites composés d'une porine de la famille OMF (Outer Membrane Factor) ancrée dans la membrane externe, d'un transporteur de la famille des RND (Resistance Nodulation Division) localisé dans la membrane interne et d'un adaptateur périplasmique de la famille des MFP (Membrane Fusion Protein) qui consolide l'ensemble. Le travail réalisé au cours de cette thèse apporte une contribution à la compréhension des mécanismes d'assemblage et d'ouverture des pompes d'efflux ainsi qu'à leur régulation grâce au développement de nouveaux outils empruntés à la physique, à la biochimie et à la microbiologie. Une première étude a permis de déterminer la stoechiométrie d'interaction entre MexA et OprM par gel bleu natif (Ferrandez, Monlezun et al. 2012). Une deuxième étude a été consacrée, dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe de B. Le Pioufle (ENS Cachan), à la caractérisation par électrophysiologie de l'ouverture de la porine OprM, insérée dans une membrane artificielle reconstituée sur une biopuce (Wang, Monlezun et al. 2012). Puis, afin d'étudier cette fois ci, le mécanisme d'ouverture de la porine OprM in vivo, une étude fonctionnelle par complémentation chez Pseudomonas aeruginosa a été initiée. Enfin, dans le cadre d'une collaboration avec l'équipe de P. Plésiat (Laboratoire de Bactériologie, Besançon), deux analyses de mutants cliniques par modélisation ont été réalisées sur le régulateur MexZ de la pompe MexXY/OprM et de la porine d'influx des carbapénèmes OprD.

Les antibiotiques sont des molécules incontournables dans le traitement des infections bactériennes. L’émergence et la dissémination de la résistance aux antibiotiques chez la pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa, ont amené l’Organisation Mondiale de la Santé à déclarer indispensable le développement de nouvelles approches thérapeutiques pour lutter contre cette bactérie. Bien que certaines alternatives aient été envisagées, la préservation de l’activité d’antibiotiques majeurs tels que les aminosides et la colistine est primordiale. La caractérisation des mécanismes de résistance à ces médicaments est nécessaire pour la mise au point de nouvelles molécules et mieux prendre en charge les patients. Dans ce contexte, nous montrons que des mutations dans le gène fusA1 (codant le facteur d’élongation EF-G1A) et dans l’opéron pmrAB (système à deux composants PmrAB) entrainent une augmentation de la résistance aux aminosides chez des mutants isolés au laboratoire et des souches issues de patients, atteints ou non, de mucoviscidose. Certaines substitutions d’acide aminé dans EF-G1A accroissent les niveaux de résistance de 2 à 16 fois aux quatre sous-classes d’aminosides. Par ailleurs, des changements d’acide aminé dans le système à deux composants PmrAB activent l’expression des gènes PA4773-PA4774-PA4775, et la production de norspermidine et de spermidine. La synthèse de ces polyamines va de pair avec une baisse de 4 à 16 fois de la sensibilité aux aminosides à noyan 2-désoxystreptamine bisubstitué en 4,6 (gentamicine, amikacine et tobramycine). De plus, il apparaît que la résistance des mutants pmrB à la colistine est en partie dépendante de la pompe d’efflux MexXY(OprM), un système impliqué dans la résistance naturelle, adaptative ou acquise aux aminosides. Enfin, nous montrons que les mutants pmrB surproduisent des alcaloïdes contenant un motif azétidine, par une voie de synthèse non-ribosomale et dépendante du quorum sensing. Ces alcaloïdes diminuent la virulence de P. aeruginosa dans le modèle Galleria mellonella. / Antibiotics are invaluable drugs to combat bacterial infections. Emergence and spread of antibiotic resistance in the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa have led the World Health Organization to consider as a crucial priority the development of new therapeutic approaches to fight this bacterium. In addition to other alternatives, preservation of activity of major antibiotics such as aminoglycosides and colistin is primordial. Consequently, characterization of the resistance mechanisms to these drugs is a prerequisite to design novel molecules, and improve patient care. In this context, we show that mutations in gene fusA1 (encoding elongation factor EF-G1A) and in operon pmrAB (two-component system PmrAB) lead to an increased resistance to aminoglycosides in in vitro-selected mutants and strains isolated from cystic fibrosis (CF) and non-CF patients. Certain amino acid substitutions in EF-G1A confer a 2- to 16-fold increased resistance to the four aminoglycoside subclasses. On the other hand, amino acid variations in two-component system PmrAB activate the expression of genes PA4773-PA4774-PA4775, and production of norspermidine and spermidine. This upregulated polyamine biosynthesis is associated with a 4- to 16-fold decreased susceptibility to 4,6-di-substituted deoxystreptamine aminoglycosides (gentamicin, amikacin and tobramycin). Moreover, our work reveals that the acquired resistance of pmrB mutants to colistin partially depends upon pump MexXY(OprM), a system that otherwise mediates intrinsic, adaptive and acquired resistance to aminoglycosides. Finally, we show that pmrB mutants overproduce azetidine-containing alkaloids by a quorum-sensing-regulated, nonribosomal peptide synthetase pathway. These alkaloids impair the virulence of P. aeruginosa in a Galleria mellonella infection model.