Hyaluronic acid (HA) is an important substance, which is mostly used in pharmaceutical and cosmetic industry. This substance is commonly found in the human body. HA is one of the factors contributing to virulence of microorganisms. Some bacterial strains produce hyaluronic acid in the form of a mucoid capsule that encapsulates the cell to protect bacteria against the immune system of the host organism. One of the main producers is the bacterial strain Streptococcus equi subsp. zooepidemicus. Contipro a.s. uses the strain CO4A to produce hyaluronic acid in large scale. The production strain was obtained by random mutagenesis by UV light. The aim of the work was to study changes in the genome, which led to a significant increase in hyaluronic acid production, using DNA microarray and real-time PCR (qPCR). The genome of the strain CO4A was sequenced and compared to reference ATCC35246 [1]. The size of the genome is 2,167,251 bp and 83 relevant variants (59 SNV and 34 indels) have been identified. Variants in coding regions were annotated and amino acid sequence changes were determined. In SNV mutations there was a change in the amino acid sequence in 45 cases. The change was identified in every case of indel mutations. The expression level of selected groups of genes was monitored in both strains by the method of DNA microarrays. A cascade of increased expression level of amino sugar metabolism genes leading to the synthesis of UDP-N-acetyl glucosamine was observed in strain CO4A (the increase in expression level of these genes compared to ATCC35246 was on average 28 %). Subsequently, the expression of selected genes was verified by qPCR. There was no significant difference in the expression level of the has operon genes of both strains. The effect of supplementation of the culture medium with N-acetylglucosamine (GlcNAc), which is one of the precursors of HA synthesis, was also studied by qPCR. A positive effect of the supplementation of the culture medium with external GlcNAc in the CO4A strain has been recorded. Also, the supplementation has positive effect on the yield of HA from the medium (increase in yield was on average by 17 %). GlcNAc has been shown to have a positive effect on the yield of HA in ATCC35246 strain as well (increase in yield was 9 % on average), but no significant changes in the expression levels were found in selected groups of genes in ATCC35246.

Salmonella enterica subspecies enterica serovar Infantis (S. Infantis) places the fourth position in the ranking of most reported Salmonella serovars in Europe. During the last decade, a multi-drug resistant (MDR) S. Infantis population has rapidly increased and widespread in European and non-European broiler production. The study proposed here aimed to i) implement and evaluate the performance of a bioinformatics pipeline named WGSBAC for Salmonella in silico serotyping, and ii) identify the genetic determinants for the increased emergence of broiler-derived S. Infantis observed in Germany. First, we conducted an evaluation of WGSBAC and three bioinformatic tools (SISTR, SeqSero, and SeqSero2) for the characterization and genoserotyping of 43 Salmonella strains of 26 different serovars. Second, we performed sequencing of 30 broiler-derived S. Infantis isolates collected from two distant decades (the 1990s and the 2010s). We applied the WGSBAC pipeline and external bioinformatics software to i) assess and control the quality of the sequenced reads ii) assembly and quality control of assemblies, and iii) annotation, typing by classical MLST, cgMLST, genoserotyping, SNPs-based phylogenetic reconstruction and in silico phenotype prediction including antimicrobial resistance genes (AMR), virulence genes and plasmid replicons detection. To detect possible clonal relatedness with other S. Infantis clones from Europe, we performed a further comparative genome analysis using 17 public genomes of other S. Infantis clones circulating in Europe. WGSBAC was feasible for the serovar prediction of most of the 43 Salmonella strains. The tool SISTR reported the highest correlation (79.1%) followed by SeqSero2 (72.1%) and SeqSero (60.5%). The study of the S. Infantis strains revealed that in contrast to the isolates from the 1990s, the majority of the strains from the 2010s revealed the presence of a megaplasmid that carried a multidrug-resistant genes (MDR) pattern, a virulence genes pattern, and several fitness-associated determinants. We termed the MDR gene pattern “ESIr” and it coded for at least three antimicrobial families: ant(3”)-Ia (aminoglycosides), sul1 (sulfonamides), and tet(A) (tetracyclines). Besides, we termed the virulence pattern as “ESIv” which includes genes for fimbriae cluster, yersiniabactin siderophore, mercury resistance, and antitoxin/antitoxin systems. Furthermore, the genotyping analysis revealed the presence of a novel sequence type (ST2283) among the majority of the strains from the 2010s and ST32 and ST1032 within the strains from the 1990s. This genetic traits may promote the rapid incidence and dissemination of a novel MDR S. Infantis population. Following a WGS-based approach, this study evidences that MDR S. Infantis ST2283 strains carrying a pESI-like plasmid have emerged during the last decade and are currently circulating in the German poultry production chain. This event results in an urgent public health hazard, thus, control measures and the support of epidemiological studies are needed to prevent the entrance, transmission, and further dissemination of this clonal population in the food chain. / Salmonella enterica subspecies enterica serovar Infantis (S. Infantis) nimmt die vierte Position in der Rangliste der am häufigsten gemeldeten Salmonella-Serovare in Europa ein. Während des letzten Jahrzehnts hat das Auftreten einer multiresistenten Salmonella enterica subspecies enterica serovar Infantis (S. Infantis)-Population rapide zugenommen und ist in der europäischen und außereuropäischen Broilerproduktion weit verbreitet. Die Studie zielte darauf ab, i) eine bioinformatische Pipeline für die in silico-Serotypisierung von Salmonellen zu implementieren und deren Leistungsfähigkeit zu bewerten, und ii) die genetischen Determinanten für das in der deutschen Broilerproduktion während des letzten Jahrzehnts beobachtete vermehrte Auftreten von S. Infantis zu identifizieren. Zunächst wurde eine Bioinformatik-Pipeline (WGSBAC) und drei bioinformatische Tools (SISTR, SeqSero und SeqSero2) zur Genoserotypisierung von 43 Salmonella spp.-Stämmen von 26 verschiedenen Serovaren durchgeführt. Zweitens führten wir die Genomsequenzierung von 30 S. Infantis Broiler-Isolaten durch, die in zwei unterschiedlichen Jahrzehnten (den 1990er und den 2010er Jahren) gesammelt wurden. Wir setzen die WGSBAC-Pipeline und externe Bioinformatik-Software ein, um i) die Qualität der sequenzierten Reads zu bewerten und zu kontrollieren, ii) Assemblierungen und Qualitätskontrollen von und iii) Annotation, Typisierung durch klassischen MLST, cgMLST, Genoserotypisierung, phylogenetische Rekonstruktion mittels Einzelnukleotidänderungen (SNPs) und in-silico-Phänotyp-Vorhersage, einschließlich antimikrobieller Resistenzgene (AMR), Virulenzgene und Plasmid-Replikons zu erkennen. Die Bioinformatik-Pipeline WGSBAC ist geeignet, das antigene Profil der meisten der in der Studie verwendeten Salmonella-Stämme zu bestimmen. Das Tool SISTR zeigte dabei die höchste Übereinstimmung (79,1 %), gefolgt von SeqSero2 (72,1 %) und SeqSero (60,5 %). Die Untersuchung der S. Infantis-Stämme ergab, dass im Gegensatz zu den Isolaten aus den 1990er Jahren, die Mehrheit der Stämme aus den 2010er Jahren das Vorhandensein eines Megaplasmids zeigte, das homolog zu dem pESI-Plasmid aus Israel und anderen pESIähnlichen Plasmiden aus europäischen Isolaten ist. Das deutsche pESI-ähnliche Plasmid kodierte für ein Muster von multiresistenten Genen (MDR), ein Muster von Virulenzgenen und mehrere Fitness-assoziierte Determinanten, welches wir 'ESIr' nannten. Dieses korrelierte mit mindestens drei antimikrobiellen Familien: ant(3')-Ia (Aminoglykoside), sul1 (Sulfonamide) und tet(A) (Tetracycline). Der Genotyp korreliert hier vollständig mit dem antimikrobiellen Phänotyp. Außerdem bezeichneten wir das Virulenzmuster als 'ESIv', welches Gene für Fimbrien-Cluster, Yersiniabactin-Siderophore, Quecksilberresistenz und Antitoxin/Antitoxin- Systeme mit einschließt. Die Genotypisierungsanalyse ergab das Vorhandensein eines neuen Sequenztyps (ST2283) bei der Mehrzahl der Stämme aus den 2010er Jahren und ST32 und ST1032 bei den Stämmen aus den 1990er Jahren. Anhand eines auf Gesamtgenomsequenzierung-basierten Ansatzes zeigte diese Studie, dass MDR S. Infantis ST2283 Stämme, die ein pESI-ähnliches Plasmid tragen, während des letzten Jahrzehnts entstanden sind und derzeit in der deutschen Geflügelproduktionskette zirkulieren. Der Erwerb eines Megaplasmids, das für Resistenzen, Virulenz-assoziierte Determinanten und Fitnessmechanismen kodiert, könnte dieses schnelle und besorgniserregende epidemiologische Ereignis erklären. Dieses Ereignis stellt eine Gefahr für die öffentliche Gesundheit dar. Daher sind Kontrollmaßnahmen und die Unterstützung epidemiologischer Studien erforderlich, um den Eintritt, die Übertragung und die weitere Verbreitung dieser klonalen Population in der Lebensmittelkette zu verhindern.

Ce travail de thèse comporte deux volets ayant pour trait commun l’analyse a posteriori d’une épidémie d’infection invasive à méningocoque (IIM) survenue en Normandie entre 2003 et 2012 et liée à l’expansion d’un clone hypervirulent particulier (B:14:P1.7,16/ST-32 ). Le premier travail (publié dans Virulence : Sevestre et al 2018 ;9 :923-929) s’est focalisé sur les déterminants de la virulence de « B14 » en comparant 6 isolats identifiés les uns d’IIM, les autres de portage pharyngé sain (ces derniers exprimant ou non la capsule). Apparemment identiques selon le typage classique (immunotypage et génotypage par MLST), ces 3 groupes bactériens se sont révélés distincts après analyse génomique et comparaison gène par gène (plus de 600 gènes au profil génétique variable entre les groupes) conduisant à identifier le rôle majeur de l’acquisition du fer dans la virulence et en particulier celui du système HmbR, un récepteur de l’hémoglobine. Dans un modèle murin (souris transgéniques rendues sensibles à l’infection humaine) les 3 groupes de souches sont aussi apparus distincts, avec une hiérarchie des marqueurs d’infectiosité (titres bactériens, taux de cytokines). La restauration du système HmbR (souches de portage capsulées « Off » dérivées en « On ») a restauré le pouvoir invasif in vitro et chez l’animal. Si le fer était déjà connu comme facteur de virulence pour différentes espèces bactériennes, l’originalité ici est d’avoir identifié le rôle de la variation de phase du gène hmbR au sein d’un même clone épidémique, permettant l’adaptation au portage, condition sine qua non de la transmission d’individu en individu. Le second travail (publié dans Vaccine : Sevestre et al 2017 ;35 :4029-4033) s’est intéressé à la durabilité et à l’ampleur de la protection vaccinale du MenBvac®, vaccin à base de vésicules de membranes externes (Outer Membrane Vesicles, OMV) utilisé jadis pour contrôler l’épidémie. Ceci a pu être réalisé grâce à deux cohortes d’enfants vaccinés par un schéma à 4 doses et prélevés pour les uns 1 an après la dernière dose et pour les autres 4 an après. L’immunogénicité (étude de l’activité bactéricide du sérum vis-à-vis du clone ciblé) s’est avérée de durabilité moyenne avec 48% des enfants protégés à 1 an et 31% à 4 ans, un résultat en phase avec les données de la littérature sur les vaccins OMV. Un effet bactéricide fut observé très au-delà de « B14 », du fait d’une immunité croisée aux souches avec une homologie au moins partielle de la porine PorA (principal déterminant antigénique des vaccins OMV) soit pour le MenBvac® 15% des clones virulents B actuellement circulants en France, un résultat davantage original car ayant jusqu’alors que peu investigué. / This thesis work includes two studies which both contribute to analyze a posteriori an outbreak of invasive meningococcal diseases (IMD) that had occurred in Normandy from 2003 to 2012 due to the expansion of a single hypervirulent clone (B:14:P1.7,16/ST-32 ). The first work (published in Virulence: Sevestre et al 2018 ;9 :923-929) focused on the virulence determinants of “B14” by comparing 6 isolates, either from IMD or from asymptomatic carriage (these latter expressing or not the capsule). Apparently identical on the basis of classical typing methods (immunotyping and MLST genotyping), these 3 groups of isolates were markedly different by whole genome analysis and on gene by gene comparison (more than 600 genes presenting a variable genetic profile). This analysis leaded to identify the crucial implication of iron acquisition in virulence and in particular the place of the HmbR system, an hemoglobin receptor. In a murine model (transgenic mice made susceptible to infection), these 3 groups also appeared separated, with a distinct infectivity hierarchy (bacterial counts, levels of cytokines). The restoration of the HmbR system in the capsulated carriage isolates (switch from Off phase to On phase) also restored their invasiveness in vitro and in vivo. Even if iron is already known to be a determining factor in the virulence of many bacterial species, our results clearly indicate the importance of the hmbR phase variation among clonal epidemic isolates, allowing adaptation to carriage, sine qua non condition for people to people transmission. The second work (published in Vaccine: Sevestre et al 2017 ;35 :4029-4033) concerned the durability and the cross-protection of the MenBvac®, an OMV vaccine (Outer Membrane Vesicles), used in the past to control the outbreak. This work has been done thanks to 2 cohorts of children vaccinated with 4 doses and sampled either 1 year or 4 years after the last dose. The efficacy (serum bactericidal activity against the epidemic strain) was short lasting, with 48% of children protected after 1 year and 31% after 4 years, a result in accordance with OMV literature. A bactericidal effect was observed far beyond “B14”, by cross-immunity with strains harboring homologies, even partials of the porin PorA (main antigenic determinant in OMV vaccine), indicating a coverage for 15% of virulent isolates B circulating in France, an original result as until then not so far investigated.

Les dysplasies frontonasales (DFN) sont un groupe de malformations rares de la face résultant d’une anomalie de développement du processus frontonasal, et se manifestant cliniquement par l’association variable d’une fente faciale médiane, d’un hypertélorisme, et d’anomalies nasales. Elles s’intègrent généralement dans un cadre syndromique, la plupart étant peu spécifiques et non caractérisées. Une douzaine d’entités ont été décrites ; les bases moléculaires sont connues pour sept d’entre elles seulement. Pour les autres entités, les hypothèses initiales étaient celles de pathologies autosomiques dominantes liées à des mutations de novo.Ce travail s’est fondé sur une cohorte de 80 patients présentant une DFN, recrutés au niveau national et international, avec l’objectif d’identifier les bases moléculaires de plusieurs entités de DFN. Une caractérisation phénotypique a d’abord été effectuée. Deux stratégies moléculaires ont ensuite été poursuivies en parallèle : une approche « phenotype-first », visant à étudier les patients classés par cohortes homogènes cliniquement, et une approche « genotype-first », visant à réaliser des études moléculaires chez des patients présentant un tableau aspécifique.Lorsque le diagnostic était celui d’un syndrome dont le gène causal était connu, nous avons réalisé un séquençage ciblé dudit gène (EFNB1, ZSWIM6). Nous avons effectué un séquençage haut-débit d’exome (SHD-E) chez 11 patients présentant un syndrome de Pai (5 en trio, 5 en solo, un en profondeur sur tissu atteint en paire), trois patients avec syndrome oculoauriculofrontonasal (en trio), et respectivement un patient avec syndrome oculocérébrocutané et syndrome de Teebi (en trio). Nous avons réalisé un séquençage haut-débit de génome (SHD-G) chez 3 patients avec un syndrome de Pai, ainsi qu’une patiente avec syndrome oculoauriculofrontonasal. Enfin, nous avons séquencé les gènes ALX1, ALX3 et ALX4 chez 13 individus avec DFN aspécifique ; réalisé un SHD-E en profondeur chez une patiente avec DFN et hypomélanose d’Ito, ainsi que trois SHD-E en trio chez des patients avec DFN aspécifique ou non classée.Nous avons réalisé un travail de caractérisation phénotypique des patients de la cohorte, décrivant les diagnostics différentiels principaux et les chevauchements phénotypiques. Nous avons décrit une nouvelle entité de DFN, identifiée chez 4 de nos patients, sans base moléculaire à l’heure actuelle. Nous avons confirmé les diagnostics cliniques lorsque le gène causal était connu, chez 5 patients. Nous avons retrouvé des variants candidats dans deux gènes de la voie du TGFβ chez quatre patients avec syndrome de Pai : un de novo dans le gène TGFBRAP1, deux de novo et un hérité d’un parent asymptomatique dans le gène PCSK7. Nous avons identifié les mutations dans TFE3 comme étant à l’origine d’un syndrome neurocutané de mosaïcisme pigmentaire chez une patiente et 6 patients additionnels. Enfin, nous avons identifié un variant dans le gène POLR2A chez un fœtus avec DFN aspécifique. Au total, 34 individus avec un syndrome connu et 34 avec une DFN aspécifique restent à l’heure actuelle sans piste moléculaire identifiée.Au total, ce travail a permis de démontrer l’intérêt d’une meilleure connaissance clinique de ces syndromes rares, pour le diagnostic et le conseil génétique. Il a permis l’individualisation et la description de deux syndromes pouvant s’accompagner d’une DFN – dont un à l’échelle moléculaire –, et la démonstration du rôle du gène TFE3 dans le développement. Enfin, des hypothèses sont émises concernant les résultats incertains et négatifs : celles d’un oligogénisme, d’une anomalie épigénétique, d’une mutation post-zygotique ou de l’influence de l’environnement. / Frontonasal dysplasias (FND) are a group of rare facial malformations due to an abnormal development of the frontonasal process, clinically resulting in the variable association of median facial cleft, hypertelorism and nasal anomalies. Most of them are syndromic, but non-specific and not characterized. A dozen entities have been described; molecular bases are known for only seven of them. Regarding the other entities, the hypothesis of dominant disorders due to de novo mutations had been raised.This work was based on a cohort of 80 patients presenting with FND, nationally and internationaly recruited with the goal of identifying molecular bases of FND entities. We first phenotypically characterized the individuals. Then two molecular strategies were performed in parallel: a “phenotype-first” approach, aiming to study clinically homogeneous cohorts of patients, and a “genotype-first” approach, aiming to perform molecular studies on patients with an aspecific phenotype.When the causative gene for the disorder was known, we performed targeted sequencing of the gene (EFNB1, ZSWIM6). We performed whole-exome sequencing (WES) in 11 patients presenting with Pai syndrome (5 trio WES, 5 solo WES, one deep-sequencing pair-WES on affected tissue), 3 individuals presenting with oculoauriculofrontonasal syndrome (OAFNS) (trio WES), and respectively one patient with oculocerebrocutaneous syndrome and Teebi syndrome (both trio WES). We performed whole-genome sequencing (WGS) on 3 patients with Pai syndrome and one patient with OAFNS. Finally, we performed ALX1, ALX3 and ALX4 genes sequencing in 13 individuals with aspecific FND; deep-WES in one patient with FND and Ito hypomelanosis; as well as 3 trio WES in individuals with aspecific or non characterized FND.We achieved a phenotypic characterization of the patients from the cohort, describing major differential diagnosis and clinical overlaps. We described a new FND entity, identified in 4 individuals, with no molecular basis so far. We confirmed the clinical diagnosis when the causative gene was known, for 5 patients. We identified candidate variants in two genes from the TGFβ pathway in four patients with Pai syndrome: one de novo variant in the TGFBRAP1 gene, two de novo and one inherited from an asymptomatic parent in the PCSK7 gene. We identified mutations in TFE3 as causative for a neurocutaneous syndrome of pigmentary mosaicism in a female patient and six additional individuals. Finally, we identified a variant in the POLR2A gene in a fetus with aspecific FND. A total of 34 individuals with a known syndrome and 34 with an aspecific FND still have no identified molecular basis so far.In conclusion, this work allowed proving the importance of a better clinical knowledge of these rare disorders, in terms of diagnosis and genetics counseling. It allowed the delineation of two syndromes with FND – one at a molecular level –, and the demonstration of a role for TFE3 in development. Finally, four hypotheses are raised regarding the negative or uncertain results: oligogenism, epigenetic anomaly, post-zygotic mutation or environmental influence.

La digoxine est un cardiotonique largement employé pour contrôler les symptômes de l'insuffisance cardiaque et de la fibrillation auriculaire. Il est connu depuis les années 1980 que le métabolite principal de la digoxine, la dihydrodigoxine, est produit exclusivement par le microbiome intestinal (métabolisme de premier passage) et plus précisément la bactérie Eggerthella lenta. Aux États-Unis, c'est 14% des participants à une étude qui excrétaient 40% et plus de la dose sous la forme de ce métabolite rapidement éliminable et ayant perdu son affinité pour sa cible. De plus, chaque année, la digoxine est le médicament qui engendre le plus d'hospitalisations pour effets secondaires toxiques. Les effets secondaires très problématiques de la digoxine sont souvent déclenchés par l'ajout d'antibiotiques (surtout les macrolides) à la prescription de digoxine. La théorie explorée ici explique les évènements de toxicité chez les patients métabolisateurs. Ces derniers ont une dose quotidienne de maintien de digoxine plus élevée pour compenser l'action de la bactérie et, lorsque ces patients reçoivent un antibiotique pour une infection non reliée à leur condition cardiaque, l'arrêt du métabolisme par le microbiome engendre une augmentation de la biodisponibilité de la digoxine. Si la concentration plasmatique du médicament augmente trop, les effets secondaires peuvent aller jusqu'à causer la mort. Dans le présent projet, nous avons vérifié la sensibilité de E. lenta à deux antibiotiques de la famille des céphalosporines de seconde génération, in vivo et in vitro. Pour les 18 volontaires qui ont été exposés à 2x500mg de céfprozil durant une semaine, il y a une tendance à la baisse de l'abondance de la bactérie d'intérêt (par 58,3% par rapport au niveau initial), mais pas de significativité au niveau des tests statistiques. Pour les échantillons complets de microbiome fécal, mis en culture avec et sans antibiotiques, il y a une différence statistiquement significative avec une valeur-p de 0,0457, alors que la croissance de E. lenta a été impactée négativement par l'ajout de céfprozil au milieu de culture. Les résultats valident une prémisse importante pour la démonstration du rôle du microbiome dans la pharmacocinétique de la digoxine et la gestion clinique du médicament cardiotonique. / Digoxin is a widely used cardiotonic drug in the management of heart failure and atrial fibrillation. It has been known since the early 1980's that the main metabolite of digoxin, dihydrodigoxin, is synthesized by the gut microbiome during first pass metabolism and is exclusively produced by the bacteria Eggerthella lenta. In a clinical study done in the U.S.A., there were 14% of high metabolizers, for whom over 40% of the oral digoxin dose is transformed to the inactive metabolite and rapidly eliminated. Digoxin toxicity is the leading cause of hospitalization from medication's secondary effects. The toxicity events are often associated with the addition of an antibiotic (mostly from the macrolides class) to the patient's drugs regiments. The theory explored in this project could help explain the toxicity events in metabolizers. These patients have a higher daily digoxin maintenance dose to counteract the effects of the microbiome and are then prescribed antibiotics for an infection unrelated to their heart condition. The antibiotic alters E. lenta negatively, which cannot metabolize digoxin anymore and therefore augments the bioavailability of the cardiotonic. If the plasmatic concentration reaches dangerous levels (over 2ng/ml of plasma), the patients face adverse effects that include death. In the present project, we evaluated the susceptibility of E. lenta to two second generation cephalosporins, in vivo and in vitro. With the 18 healthy volunteers that were exposed to 2x500mg of cefprozil daily for 7 days, we observed a diminution of the abundance of the bacteria of interest by 58,3% from the initial levels. This change did not however produce statistically significant tests results. For the complete fecal microbiome that were cultivated in vitro, with or without cefprozil, the difference between the two conditions resulted in a statistically significant p-value of 0.0457, confirming the sensitivity of E. lenta to this cephalosporin. These results validate an important premise for the demonstration of the importance of the gut microbiome in the pharmacokinetics of digoxin and the clinical management of the drug to avoid toxicity events in clinical practice.

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[ES] La biotecnología moderna se basa en la aplicación de una mezcla de herramientas experimentales y computacionales para llevar a cabo de forma dirigida la ingeniería genética. El objetivo es obtener células (re)programadas que implementen nuevas funciones o que sirvan como herramientas para el estudio de sistemas biológicos. En este contexto, el uso de bacterias en biotecnología está muy extendido. Sin embargo, la implementación de circuitos genéticos para el aprovechamiento de estos seres vivos puede verse limitada por procesos biológicos naturales; es decir, los circuitos diseñados (o naturales) pueden verse afectados por el transcurso del tiempo o por cambios en el entorno en el que crecen las bacterias. En esta tesis, nos propusimos seguir un enfoque integrador para estudiar cómo las bacterias responden en el tiempo y el espacio a los cambios genéticos y ambientales, que pueden afectar la funcionalidad de los circuitos de interés biotecnológico. Usamos Escherichia coli como organismo modelo, explotando una variedad de herramientas experimentales para trabajar con él. En primer lugar, estudiamos cómo los cambios ambientales y genéticos afectan la funcionalidad de un circuito genético sintético que implementa un comportamiento lógico sofisticado. Descubrimos que hay amplios rangos de concentración de entrada que el sistema puede procesar correctamente, que el circuito diseñado es bastante sensible a los efectos de la temperatura, que la expresión de pequeños ARN heterólogos es costosa para la célula y que una reorganización genética adecuada del sistema para reducir la cantidad de ADN heterólogo en la célula puede mejorar su estabilidad evolutiva. En segundo lugar, estudiamos el crecimiento bacteriano en entornos en los que existen materiales nanoestructurados. Descubrimos que las poblaciones bacterianas se pueden controlar en gran medida mediante el uso de marcos organometálicos, ya que estos materiales nanoestructurados pueden descomponerse lentamente en medios biológicos liberando agentes antimicrobianos (metales y compuestos orgánicos, incluidos los antibióticos). Analizamos la respuesta bacteriana espaciotemporal siguiendo un enfoque experimental y teórico combinado en un entorno tan complejo y desafiante en medios líquidos y sólidos. Además de las variaciones en el rendimiento debido a cambios ambientales, también se debe considerar que esos circuitos genéticos evolucionarán con el tiempo debido a la acumulación estocástica de mutaciones. Estas mutaciones pueden dar lugar a cambios en la funcionalidad de los circuitos reguladores. Por tanto, en tercer lugar, realizamos un experimento de evolución a largo plazo para estudiar la contribución de un sistema de chaperonas de proteínas en la modulación de la estabilidad evolutiva. En los últimos años, se ha demostrado que los sistemas de chaperonas, como GroES/EL, pueden amortiguar o purgar mutaciones. Realizamos la secuenciación del genoma completo en diferentes líneas con diferentes niveles de expresión de GroEL y también medimos la tasa de crecimiento de las células al principio y al final del experimento evolutivo. Sin embargo, nuestros resultados no fueron concluyentes, por lo que se necesita más investigación para comprender completamente el papel de GroES/EL en la evolución y evaluar su utilidad potencial en biotecnología. En conjunto, esta tesis intenta avanzar en nuestro conocimiento sobre cómo las bacterias, y E. coli en particular, se comportan como se espera cuando el entorno se altera, la fisiología cambia y pasa mucho tiempo, para posibles aplicaciones industriales o (pre)clínicas. / [CA] La biotecnologia moderna es basa en l'aplicació d'una mescla d'eines experimentals i computacionals per a realitzar de forma dirigida l'enginyeria genètica. L'objectiu és obtindre cèl·lules (re)programades que implementen noves funcions o que servisquen com a eines per a l'estudi de sistemes biològics. En aquest context, l'ús de bacteris en biotecnologia està molt estés. No obstant això, la implementació de circuits genètics per a l'aprofitament d'aquests éssers vius pot veure's limitada per processos biològics naturals; és a dir, els circuits dissenyats (o naturals) poden veure's afectats pel transcurs del temps o per canvis en l'entorn en el qual creixen els bacteris. En aquesta tesi, ens vam proposar seguir un enfocament integrador per a estudiar com els bacteris responen en el temps i l'espai als canvis genètics i ambientals, que poden afectar la funcionalitat dels circuits d'interés biotecnològic. Usem Escherichia coli com a organisme model, explotant una varietat d'eines experimentals per a treballar amb ell. En primer lloc, estudiem com els canvis ambientals i genètics afecten la funcionalitat d'un circuit genètic sintètic que implementa un comportament lògic sofisticat. Descobrim que hi ha amplis rangs de concentració d'entrada que el sistema pot processar correctament, que el circuit dissenyat és bastant sensible a l'efecte de la temperatura, que l'expressió de xicotets ARN heteròlegs és costosa per a la cèl·lula i que una reorganització genètica adequada del sistema per a reduir la quantitat d'ADN heteròleg en la cèl·lula pot millorar la seua estabilitat evolutiva. En segon lloc, estudiem el creixement bacterià en entorns en els quals existeixen materials nanoestructurats. Descobrim que les poblacions bacterianes es poden controlar en gran manera mitjançant l'ús de marcs organometàlics, ja que aquests materials nanoestructurats poden descompondre's lentament en medis biològics alliberant agents antimicrobians (metalls i compostos orgànics, inclosos els antibiòtics). Analitzem la resposta bacteriana espai-temporal seguint un enfocament experimental i teòric integrador en un entorn tan complex i desafiador en mitjans líquids i sòlids. A més de les variacions en el rendiment degut a canvis ambientals, també s'ha de considerar que aqueixos circuits genètics evolucionaran amb el temps degut a l'acumulació estocàstica de mutacions. Aquestes mutacions poden donar lloc a canvis en la funcionalitat dels circuits reguladors. Per tant, en tercer lloc, realitzem un experiment d'evolució a llarg termini per a estudiar la contribució d'un sistema de chaperones de proteïnes en la modulació de l'estabilitat evolutiva. En els últims anys, s'ha demostrat que els sistemes de chaperones, com GroES/EL, poden esmorteir o purgar mutacions. Realitzem la seqüenciació del genoma complet en diferents línies amb diferents nivells d'expressió de GroEL i també mesurem la taxa de creixement de les cèl·lules al principi i al final de l'experiment evolutiu. No obstant això, els nostres resultats no van ser concloents, per la qual cosa es necessita més investigació per a comprendre completament el paper de GroES/L en l'evolució i avaluar la seua utilitat potencial en biotecnologia. En conjunt, aquesta tesi intenta avançar en el nostre coneixement sobre com els bacteris, i E. coli en particular, es comporten com s'espera quan l'entorn s'altera, la fisiologia canvia i passa molt temps, per a possibles aplicacions industrials o (pre)clíniques. / [EN] Modern biotechnology is based on applying a mix of experimental and computational tools to perform in a directed way genetic engineering. The aim is to obtain (re)programmed cells that implement new functions or that serve as tools for the study of biological systems. In this context, the use of bacteria in biotechnology is widespread. However, the implementation of genetic circuits for the use of these living beings may be limited due to natural biological processes; that is, the engineered (or natural) circuits may be affected by the course of time or by changes in the environment in which bacteria grow. In this thesis, we proposed to follow an integrative approach to study how bacteria respond in time and space to genetic and environmental changes, which may affect the functionality of the circuits of biotechnological interest. We used Escherichia coli as a model organism, exploiting a variety of experimental tools to work with it. Firstly, we studied how environmental and genetic changes affect the functionality of a synthetic genetic circuit that implements a sophisticated logic behavior. We found that there are wide input concentration ranges that the system can correctly process, that the engineered circuitry is quite sensitive to temperature effects, that the expression of heterologous small RNAs is costly for the cell, and that a proper genetic reorganization of the system to reduce the amount of heterologous DNA in the cell can improve its evolutionary stability. Secondly, we studied of bacterial growth in environments in which there are nanostructured materials. We found that bacterial populations can be greatly controlled through the use of metal-organic frameworks, as these nanostructured materials can slowly decompose in biological media releasing antimicrobials (metals and organic compounds, including antibiotics). We analyzed the spatiotemporal bacterial response following a combined experimental and theoretical approach in a such a complex and challenging environment in both liquid and solid media. In addition to variations in performance due to environmental changes, it must also be considered that those gene circuits will evolve over time due to the stochastic accumulation of mutations. These mutations can lead to changes in the functionality of the regulatory circuits. Then thirdly, we performed an experiment of long-term evolution to study the contribution of a protein chaperone system in modulating evolutionary stability. In recent years, it has been shown that chaperone systems, such as GroES/EL, can buffer or purge mutations. We performed whole-genome sequencing over different lines with varying expression levels of GroEL, and also measured the growth rate of the cells at the beginning and the end of the evolutionary experiment. However, our results were not conclusive, so further research is needed to fully understand the role of GroES/EL in evolution and to assess its potential utility in biotechnology. Taken together, this thesis tries to advance our knowledge on how bacteria, and E. coli in particular, behave as expected when the environment is perturbed, the physiology changes, and long time passes, for potential industrial or (pre)clinical applications. / Montagud Martínez, R. (2023). Study of Spatiotemporal Responses of Bacterial Cells [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193030

Migratory insects are vital components of global ecosystems and provide important ecosystem services, yet the migration phenomenon is understudied in insects compared to vertebrates. In this thesis, I aim to deepen our understanding of insect migration, using the monarch butterfly Danaus plexippus (L.) and the painted lady butterfly Vanessa cardui (L.) as model systems. Studying insect migration is notoriously difficult given the small size, high abundance, and short lifespans of insects. Isotope geolocation has shown promise for overcoming these obstacles. Here, I develop and apply metals and metal isotopes, specifically strontium isotope ratios (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr), to increase the spatial precision of isotope geolocation and demonstrate how isotopic geolocation tools can advance our understanding of insect migration at the population level. In the first chapter, I test the validity of using ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, lead isotopes, and a suite of 23 metals and metalloids to estimate the natal origins of migratory insects, by investigating the pathways of metal incorporation into butterfly wing tissues. Using an 8-week diet-switching experiment, I show that the concentrations of many metals in insect wings can be altered through the adult diet or dust deposition, making them poor candidates for geolocation but potentially interesting tools to study insect physiology, diet, or toxicology. For example, lead was found to accumulate on butterfly wings from external sources, and lead isotopes could potentially be used to quantify the exposure of migratory insects to metal pollution. Some metals, including Ba, Cs, Mg, Na, Rb, Sr, Ti, Tl, and U, are good candidates for developing geolocation tools. I focused on ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr and demonstrated that, despite some caveats, this tool is valid for isotope geolocation. In the second chapter, I outline the steps required to use ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr for the geolocation of insects, including the calibration of a spatial model of isotopic variation (i.e., an isoscape) using random forest regression. I then combine hydrogen isotope values (δ²H) and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr into a dual assignment framework to estimate the natal origins of a single generation of monarch butterflies in eastern North America. I demonstrate that combining these two isotopes provides a more spatially constrained estimate of natal origin than using either isotope alone. In the third chapter, I apply this framework to characterize the migratory patterns and migratory connectivity of an insect species across a geographical barrier, the Sahara. Painted ladies journeying northwards across the Sahara appear to do so in a gradual progression, although spatiotemporal sampling limitations prevented a complete characterization of this movement. In contrast, painted ladies migrating southwards appear to journey in a broad front, parallel migration pattern with little longitudinal movement. Evidence for a leapfrog migration pattern was found in the western region, wherein butterflies of northernmost origin journey farther south than butterflies bred in more southerly regions. This leapfrog migration pattern suggests distinct migratory behaviours within painted lady butterflies wherein some individuals migrate longer distances than others. In the fourth chapter, I apply isotope geolocation to characterize the migration distances of multiple individuals and assess the potential genetic differentiation of butterflies migrating distinct distances. I use δ²H and ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-based geographic assignment to confirm that some painted ladies migrate up to 4,000 km from Europe to sub-Saharan Africa, while others migrate shorter distances from Europe to the circum-Mediterranean region. Despite these differences in migration distance, genome-wide analysis revealed a lack of adaptive variation between short- and long-distance migrants. Instead, variation in migration distance in painted lady butterflies is likely the result of a plastic response to environmental conditions. Overall, the methodological developments presented in this thesis are a step forward in studying insect migration. The development and application of metals and metal isotopes for insect geolocation opens new avenues to study the migration phenomenon at different scales with widespread relevance for conservation and pest management.

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common and deadly cancers in the western world. The incidence of CRC shows the tendency to rise with the increase of obesity, which is caused by current increase in fat intake, suggesting the correlation between CRC and high-fat diet (HFD). HFD-induced obesity causes gut inflammation which is also noticed in inflammatory bowel diseases (IBD) and CRC and can be seen as an important factor in CRC development. Moreover, it has been demonstrated, that while both sexes are at risk of developing CRC, men have higher incidence compared to women, showing the protective effect of estrogen. In addition, since gut microbiome is first to respond to colon inflammation, we hypothesized, that intestinal estrogen signaling could contribute to reduced initiation and progression of colon cancer by modifying the microbiota composition. For that, two experiments with two different mouse models were conducted. First part of the study concentrated on the effect of (HFD, 60%) and different estrogenic ligands (17-β estradiol, and DPN) on microbiota. Bioinformatics analysis on whole genome sequencing (WGS) data and qPCR validation were used as the methods. Here we found that estrogenic ligands achieved restoration of close-to-normal microflora after significant change initiated by HFD. We also found that microbiome in males showed stronger reaction to HFD than female microbiome, implying protective actions in females. Furthermore, the effect of ligands also proved to be stronger in males. Second part of the study concentrated on the effect of estrogen receptor β (ERβ) on microbiota for which ERβ knockout mice were used in addition to cancerogenic AOM/DSS treatment. Bioinformatics analysis on WGS data was used as the method. We found that female mice were more affected by AOM/DSS treatment compared to males, especially the mice with knockout gene. The genotype alone, however, resulted in very few differences. In summary, this project shows the effect of HFD, estrogen and ERβ expression on gut microbiota diversity. It shows that microbiome of male mice is more susceptible to dietary changes and estrogen supplementation. Likewise, it demonstrates, that the microbiome of females reacts strongly to combination of carcinogenic treatment and lack of iERβ.

La régulation de l’expression des gènes est fondamentale pour coordonner la synthèse, l’assemblage et la localisation des complexes macromoléculaires dans les cellules. Cette expression est régulée à divers niveaux. Elle commence dans le noyau où les facteurs de transcription se lient à des séquences spécifiques d’ADN et recrutent les ARN polymérases pour la synthèse des ARN. La régulation à ce niveau est dite transcriptionnelle. Les protéines de liaison à l’ARN s’associent avec l’ARN en cours de synthèse et opèrent divers modifications comme l’addition d’une coiffe en 5’, l’épissage, l’édition et la poly-adénylation en 3’. Les transcrits sont alors exportés vers le cytoplasme où ils vont être adressés et stockés dans des régions subcellulaires. Les ARNm s’assemblent avec des facteurs de traduction et les ribosomes pour initier la synthèse protéique de manière contrôlée. Enfin, les ARNm sont dégradés. Les régulations qui touchent chacune de ces étapes sont dites post-transcriptionnelles. Le développement récent d’outils d’analyse à l’échelle génomique ont permis une meilleure compréhension globale des programmes de régulation des gènes au niveau transcriptionnel. Cependant, l’architecture globale des systèmes qui régulent les étapes post-transcriptionnelles d’expression des gènes est encore peu connue. Un tel système de régulation post-transcriptionnelle doit être contrôlé par des centaines de protéines de liaison à l’ARN et de microARN (miARN) encodés dans les génomes eucaryotes. C’est pourquoi il est important de disposer d’outils et de plateformes adaptés à l’étude de cette régulation à l’échelle génomique. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux programmes de la régulation post-transcriptionnelle chez Caenorhabditis elegans : l’épissage alternatif et la régulation par les miARN. Nous avons utilisés des vers rapporteurs de l’épissage alternatif exprimant la double fluorescence GFP et RFP afin d’étudier l’architecture de cette régulation et l’identification ou la validation des facteurs en trans et des éléments en cis par génétique classique en utilisant la mutagenèse aléatoire, l’automatisation du crible grâce au COPAS biosorter et le séquençage des génomes entiers. Nous avons également modifiés en profondeur le module ReFlx du cytomètre en flux adapté aux organismes de grande taille (COPAS Biosorter) afin d’éliminer les problèmes de contamination et diviser par sept le temps nécessaire au traitement dans le but de mener une étude de génétique inverse à haut débit par ARN interférence. Nous avons enfin générer des lignées fluorescentes bi-colores pour étudier la régulation dépendante de la région 3’ UTR grâce aux microARN. / The regulation of gene expression is fundamental to coordinate the synthesis, assembly and localization of macromolecular complexes in cells. This expression is regulated at various levels. It begins in the nucleus where transcription factors bind to specific DNA sequences and recruit RNA polymerases to synthesize RNA. Regulation at this level is called transcriptional. RNA binding proteins associate with RNA during synthesis and operate various modifications such as the addition of a 5' cap, splicing, editing and polyadenylation at the 3'. The transcripts are then exported to the cytoplasm where they will be sent to subcellular regions and stored. mRNA are then associated with translation factors and ribosomes to initiate protein synthesis in a controlled manner. Finally, mRNAs are degraded. Regulations that affect each of these steps are called post-transcriptional regulations. The recent tools developments for genomic scale analysis have allowed a better overall understanding of gene regulation programs at the transcriptional level. However, the overall architecture of systems that regulate post-transcriptional steps of gene expression is still misunderstood. Such a system of post-transcriptional regulation must be controlled by hundreds of RNA binding proteins and microRNA (miRNA) encoded in eukaryotic genomes. This is why it is important to have tools and platforms suited to the study of the post-transcriptional regulation on a genomic scale. During this thesis, we have focused our work on two post-transcriptional regulation programs in Caenorhabditis elegans : alternative splicing and miRNAs regulation. We used GFP and RFP double fluorescent alternative splicing reporter lines to study the architecture of this regulation and to identify trans factors and cis-elements by using forward genetics, random mutagenesis, automated screen through COPAS biosorter and whole genome sequencing. We also extensively modified the ReFlx module of the COPAS to fix carry over problems and divide by seven the time required for processing in order to conduct a High throughput reverse genetic study using RNA interference. We finally generate bi-color fluorescent lines to study 3 'UTR regulation mediated by microRNAs.