L’émergence des souches bactériennes résistantes aux antibiotiques est un phénomène inquiétant, qui se répand à travers le monde. Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa sont des bactéries pathogènes opportunistes multi résistantes qui peuvent causer plusieurs maladies. Cependant, ces bactéries deviennent difficiles à traiter avec des antibiotiques sans occasionner de toxicité. Alors pour trouver des solutions, c’est nécessaire de développer de nouvelles molécules afin de combattre les agents pathogènes résistants. Grâce à leur action pharmacologique, les fluorures exercent un certain effet antibactérien au niveau de l'émail des dents; donc, leur association aux antibiotiques pourrait bien a méliorer l’activité antimicrobienne. De ce fait, nous nous sommes proposés d’étudier les activités in vitro de la vancomycine (VAN), l’oxacilline (OXA), la ceftazidime (CFT) et la méropenème (MER) libre ou associée au fluorure de sodium (NaF) et fluorure de lithium (LiF) qui ont été évaluées sur des souches S.aureus et P.aeruginosa sensibles et résistantes, par la méthode de la microdilution en bouillon, déterminant leur concentration minimale inhibitrice (CMI), leur concentration minimale bactéricide (CMB), leur courbe cinétique (Time-Kill). Leur cytotoxicité sur les globules rouges humains, et leur stabilité à la température de 4°C et 22°C ont été étudiées. Les associations des antimicrobiens aux dérivés des fluorures ont montré une amélioration de l’effet des antibiotiques par la réduction des leurs concentrations et toxicité pour traiter correctement ces pathogènes résistants. Par conséquent, des antibiotiques associés aux dérivés de fluorure pourraient devenir une option de traitement contre des souches résistantes afin de diminuer la toxicité causée par de fortes doses des antibiotiques conventionnels. / The emergence of bacterial strains resistant to antibiotics is a worrying phenomenon, which has spread worldwide. Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa are multi-resistant opportunistic pathogenic bacteria that can cause many diseases. However, they have become difficult to treat with antibiotics without causing toxicity to humans. It is therefore necessary to develop new molecules against resistant pathogens to combat this problem. Due to their pharmacological action, fluorides have an antibacterial effect on tooth enamel which suggests that their combination with antibiotics could improve antimicrobial activity. Thus, we proposed to study in vitro activities of vancomycin (VAN), oxacillin (OXA), ceftazidime (CFT) and meropenem (MER) alone or combined with sodium fluoride (NaF) and lithium fluoride (LiF ) that were evaluated against resistant and susceptible strains of S. aureus and P. aeruginosa by antimicrobial susceptibility testing , in determining their minimum inhibitory concentration (MIC), minimum bactericidal concentration (MBC), and kinetics (Time-Kill). The evaluation of cytotoxicity on human red blood cells, and determination of stability at two different temperatures (4°C, 22°C) were also performed. Associations of antibiotics with fluoride derivatives showed an improvement by increasing the effect of antibiotics with minimal levels necessary to achieve the same result by reducing their toxicity and to properly kill these resistant pathogens. Therefore, antibiotics associated with fluoride derivatives could become a treatment option against resistant strains and at the same time reduce the toxicity caused by high doses of conventional antibiotics.

Les entérocoques font partie de la flore normale intestinale des animaux et des humains. Plusieurs études ont démontré que les entérocoques d’origine animale pouvaient représenter un réservoir de gènes de résistance aux antibiotiques pour la communauté humaine et animale. Les espèces Enterococcus faecalis et Enterococcus faecium sont importantes en santé publique; elles sont responsables d’environ 12% de toutes les infections nosocomiales aux États-Unis. Au Canada, les cas de colonisation et/ou d’infections à entérocoques résistants à la vancomycine ont plus que triplé de 2005 à 2009. Un total de 387 isolats E. faecalis et E. faecium aviaires, et 124 isolats E. faecalis porcins ont été identifiés et analysés pour leur susceptibilité aux antibiotiques. De hauts pourcentages de résistance envers les macrolides et les tétracyclines ont été observés tant chez les isolats aviaires que porcins. Deux profils phénotypiques prédominants ont été déterminés et analysés par PCR et séquençage pour la présence de gènes de résistance aux antibiotiques. Différentes combinaisons de gènes de résistance ont été identifiées dont erm(B) et tet(M) étant les plus prévalents. Des extractions plasmidiques et des analyses par hybridation ont permis de déterminer, pour la première fois, la colocalisation des gènes erm(B) et tet(M) sur un plasmide d’environ 9 kb chez des isolats E. faecalis porcins, et des gènes erm(B) et tet(O) sur un plasmide de faible poids moléculaire d’environ 11 kb chez des isolats E. faecalis aviaires. De plus, nous avons démontré, grâce à des essais conjugatifs, que ces plasmides pouvaient être transférés. Les résultats ont révélé que les entérocoques intestinaux aviaires et porcins, lesquels peuvent contaminer la viande à l’abattoir, pouvaient représenter un réservoir de gènes de résistance envers la quinupristine-dalfopristine, la bacitracine, la tétracycline et les macrolides. Afin d’évaluer l’utilisation d’un antisérum polyclonal SA dans l’interférence de la résistance à de fortes concentrations de bacitracine (gènes bcrRAB), lors d’un transfert conjugatif répondant aux phéromones, un isolat multirésistant E. faecalis aviaire a été sélectionné. Après induction avec des phéromones produites par la souche réceptrice E. faecalis JH2-2, l’agrégation de la souche donatrice E. faecalis 543 a été observée ainsi que des fréquences de transfert élevées en bouillon lors d’une courte période de conjugaison. Le transfert conjugatif des gènes asa1, traB et bcrRAB ainsi que leur colocalisation a été démontré chez le donneur et un transconjugant T543-1 sur un plasmide de 115 kb par électrophorèse à champs pulsé (PFGE) et hybridation. Une CMI de > 2 048 µg/ml envers la bacitracine a été obtenue tant chez le donneur que le transconjuguant tandis que la souche réceptrice JH2-2 démontrait une CMI de 32 µg/ml. Le séquençage des gènes asa1, codant pour la substance agrégative, et traB, une protéine régulant négativement la réponse aux phéromones, a révélé une association de cet élément génétique avec le plasmide pJM01. De plus, cette étude présente qu’un antisérum polyclonal SA peut interférer significativement dans le transfert horizontal d’un plasmide répondant aux phéromones codant pour de la résistance à de fortes doses de bacitracine d’une souche E. faecalis aviaire multirésistante. Des isolats cliniques E. faecium d’origine humaine et canine ont été analysés et comparés. Cette étude rapporte, pour la première fois, la caractérisation d’isolats cliniques E. faecium résistants à l’ampicilline (EFRA) d’origine canine associés à CC17 (ST17) au Canada. Ces isolats étaient résistants à la ciprofloxacine et à la lincomycine. Leur résistance envers la ciprofloxacine a été confirmée par la présence de substitutions dans la séquence en acides aminés des gènes de l’ADN gyrase (gyrA/gyrB) et de la topoisomérase IV (parC/parE). Des résistances élevées envers la gentamicine, la kanamycine et la streptomycine, et de la résistance envers les macrolides et les lincosamides a également été observées. La fréquence de résistance envers la tétracycline était élevée tandis que celle envers la vancomycine n’a pas été détectée. De plus, aucune résistance n’a été observée envers le linézolide et la quinupristine-dalfopristine. Les données ont démontré une absence complète des gènes esp (protéine de surface des entérocoques) et hyl (hyaluronidase) chez les isolats canins EFRA testés tandis qu’ils possédaient tous le gène acm (adhésine de liaison au collagène d’E. faecium). Aucune activité reliée à la formation de biofilm ou la présence d’éléments CRISPR (loci de courtes répétitions palindromiques à interespaces réguliers) n’a été identifiée chez les isolats canins EFRA. Les familles de plasmide rep6 and rep11 ont significativement été associées aux isolats d’origine canine. Les profils PFGE des isolats d’origine humaine et canine n'ont révélé aucune relation (≤ 80%). Ces résultats illustrent l'importance d'une utilisation judicieuse des antibiotiques en médecine vétérinaire afin d’éviter la dissémination zoonotique des isolats EFRA canins. Nous pensons que ces résultats contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes de résistance aux antibiotiques et de leurs éléments mobiles ainsi qu’à de nouvelles stratégies afin de réduire le transfert horizontal de la résistance aux antibiotiques et des facteurs de virulence. / Enterococci are part of normal intestinal gut flora of animals and humans. Many studies have shown that enterococci from animal origin could represent an antimicrobial resistance genes reservoir for the human community. The two species Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium are important in public health; they are responsible for approximately 12% of all nosocomial infections in the United States. In Canada, cases of colonization and/or infections to vancomycin resistant enterococci have more than tripled from 2005 to 2009. A total of 387 poultry E. faecalis and E. faecium isolates, and 124 porcine E. faecalis isolates were identified and analyzed for their antibiotic susceptibilities. High percentages of resistance to macrolides and tetracyclines were found in both avian and porcine isolates. Two predominant phenotypic profiles were determined and analyzed by PCR and sequencing for the presence of antimicrobial resistance genes. Various combinations of antibiotic resistance genes were detected; erm(B) and tet(M) were the most common genes. For the first time, plasmid extraction and hybridization revealed colocalization of erm(B) and tet(M) on a plasmid of ~9 kb in porcine E. faecalis isolates, and of erm(B) and tet(O) on a low-molecular-weight plasmid of ~11 kb in poultry E. faecalis isolates. Furthermore, we demonstrated, through mating experiments, these plasmids could be transferred. Results indicate that the intestinal enterococci of healthy pigs and poultry, which can contaminate meat at slaughter, could be a reservoir for quinupristin-dalfopristin, bacitracin, tetracycline, and macrolide resistance genes. To assess the use of a polyclonal antiserum AS on the contact interference of a high level bacitracin resistant (bcrRAB genes) pheromone-responsive plasmid, a multiresistant E. faecalis isolate of poultry origin was selected. After induction with pheromones produced by the recipient strain E. faecalis JH2-2, clumping of the donor E. faecalis strain 543 was demonstrated as well as high transfer frequencies in short time broth mating. Conjugative transfer of asa1, traB and bcrRAB genes and their co-localization were also demonstrated in the donor strain and a transconjugant T543-1 on a plasmid band of 115 kb by PFGE and Southern blotting. A MIC to bacitracin of > 2 048 µg/ml was obtained for both strains 543 and T543-1 whereas the recipient strain JH2-2 demonstrated a MIC of 32 µg/ml. Sequencing of the asa1 gene encoding for an AS, and traB for a pheromone shutdown protein, confirmed the association of this genetic element to the pheromone-responsive plasmid related to pJM01. More significantly, this study presents the evidence that a polyclonal antiserum AS can significantly interfere with the horizontal transfer of a pheromone-responsive plasmid encoding high-level bacitracin resistance of a poultry multidrug resistant E. faecalis strain. Clinical isolates of E. faecium of human and canine origin were analyzed and compared. This report describes for the first time the characterization of canine clinical ampicillin-resistant E. faecium (AREF) isolates related to CC17 (ST17) in Canada. These isolates were resistant to ciprofloxacin and lincomycin. Resistance to ciprofloxacin was confirmed by amino acid substitutions in DNA gyrase (gyrA/gyrB) and topoisomerase IV (parC/parE) genes. High-level gentamicin, -kanamycin and -streptomycin resistances and macrolides resistance were also observed. The frequency of tetracycline resistance was high whereas vancomycin resistance was not detected. Also, no resistance was observed to linezolid and quinupristin-dalfopristin antibiotics. Data demonstrated the complete absence of enterococcal surface protein (esp) and hyaluronidase (hyl) genes among the canine AREF isolates tested while all were acm (collagen adhesin from E. faecium) positive. However, most of them were shown to harbor efaAfm gene, encoding for a cell wall adhesin. No biofilm formation or clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR) elements were identified in these canine AREF isolates. rep6 and rep11 families of plasmids were significantly associated with isolates from dogs. The PFGE patterns of human and dog isolates were considered unrelated (≤ 80%). These findings also support the importance of prudent use of antibiotics in veterinary medicine to avoid zoonotic spread of canine AREF isolates. We are confident that our results may help to better understand the mechanisms of antibiotic resistance and mobile element carrying them as well as new strategies to reduce the horizontal transfer of antibiotic resistance and virulence traits.

L’élevage des porcs représente une source importante de déversement d’antibiotiques dans l’environnement par l’intermédiaire de l’épandage du lisier qui contient une grande quantité de ces molécules sur les champs agricoles. Il a été prouvé que ces molécules biologiquement actives peuvent avoir un impact toxique sur l’écosystème. Par ailleurs, elles sont aussi suspectées d’engendrer des problèmes sanitaires et de contribuer à la résistance bactérienne pouvant mener à des infections difficilement traitables chez les humains. Le contrôle de ces substances dans l’environnement est donc nécessaire. De nombreuses méthodes analytiques sont proposées dans la littérature scientifique pour recenser ces composés dans plusieurs types de matrice. Cependant, peu de ces méthodes permettent l’analyse de ces contaminants dans des matrices issues de l’élevage agricole intensif. Par ailleurs, les méthodes analytiques disponibles sont souvent sujettes à des faux positifs compte tenu de la complexité des matrices étudiées et du matériel utilisé et ne prennent souvent pas en compte les métabolites et produits de dégradation. Enfin, les niveaux d’analyse atteints avec ces méthodes ne sont parfois plus à jour étant donné l’évolution de la chimie analytique et de la spectrométrie de masse. Dans cette optique, de nouvelles méthodes d’analyses ont été développées pour rechercher et quantifier les antibiotiques dans des matrices dérivées de l’élevage intensif des porcs en essayant de proposer des approches alternatives sensibles, sélectives et robustes pour quantifier ces molécules. Une première méthode d’analyse basée sur une technique d’introduction d’échantillon alternative à l’aide d’une interface fonctionnant à l’aide d’une désorption thermique par diode laser munie d’une source à ionisation à pression atmosphérique, couplée à la spectrométrie de masse en tandem a été développée. L’objectif est de proposer une analyse plus rapide tout en atteignant des niveaux de concentration adaptés à la matrice étudiée. Cette technique d’analyse couplée à un traitement d’échantillon efficace a permis l’analyse de plusieurs antibiotiques vétérinaires de différentes classes dans des échantillons de lisier avec des temps d’analyse courts. Les limites de détection atteintes sont comprises entre 2,5 et 8,3 µg kg-1 et sont comparables avec celles pouvant être obtenues avec la chromatographie liquide dans une matrice similaire. En vue d’analyser simultanément une série de tétracyclines, une deuxième méthode d’analyse utilisant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) a été proposée. L’utilisation de la HRMS a été motivée par le fait que cette technique d’analyse est moins sensible aux faux positifs que le triple quadripôle traditionnel. Des limites de détection comprises entre 1,5 et 3,6 µg kg-1 ont été atteintes dans des échantillons de lisier en utilisant un mode d’analyse par fragmentation. L’utilisation de méthodes de quantifications ciblées est une démarche intéressante lorsque la présence de contaminants est suspectée dans un échantillon. Toutefois, les contaminants non intégrés à cette méthode d’analyse ciblée ne peuvent être détectés même à de fortes concentrations. Dans ce contexte, une méthode d’analyse non ciblée a été développée pour la recherche de pharmaceutiques vétérinaires dans des effluents agricoles en utilisant la spectrométrie de masse à haute résolution et une cartouche SPE polymérique polyvalente. Cette méthode a permis l’identification d’antibiotiques et de pharmaceutiques couramment utilisés dans l’élevage porcin. La plupart des méthodes d’analyse disponibles dans la littérature se concentrent sur l’analyse des composés parents, mais pas sur les sous-produits de dégradation. L’approche utilisée dans la deuxième méthode d’analyse a donc été étendue et appliquée à d’autres classes d’antibiotiques pour mesurer les concentrations de plusieurs résidus d’antibiotiques dans les sols et les eaux de drainage d’un champ agricole expérimental. Les sols du champ renfermaient un mélange d’antibiotiques ainsi que leurs produits de dégradation relatifs à des concentrations mesurées jusqu’à 1020 µg kg-1. Une partie de ces composés ont voyagé par l’intermédiaire des eaux de drainage du champ ou des concentrations pouvant atteindre 3200 ng L-1 ont pu être relevées. / Swine production is a major source of antibiotic release into the environment via manure spreading on agricultural fields. It has been shown that these biologically active compounds may have a toxic impact on ecosystems. Moreover, they are also suspected to cause health problems and contribute to bacterial resistance that could lead to difficult-to-treat infections in humans. Therefore, control of these substances in the environment is necessary. Several analytical methods are proposed in the scientific literature to identify these compounds in various matrices. However, few of these methods allowed the analysis of these contaminants in matrices derived from intensive livestock farming. Furthermore, the analytical methods available are often subject to false positives, given the complexity samples and the equipment used and do not take into account the metabolites and degradation products. Finally, concentration levels reached with these methods are sometimes outdated since the evolution of analytical chemistry and mass spectrometry. In this context, new analytical methods have been developed to investigate and quantify the antibiotics derived from swine husbandry to propose alternative, sensible, selective and robust approaches to quantify these molecules. A first analytical method has been proposed based on an alternative sample introduction technique using the laser diode thermal desorption interface with an atmospheric pressure chemical ionization source coupled to tandem mass spectrometry. The objective was to provide a simpler and faster analysis while reaching levels suitable for the studied matrix. This alternative sample introduction method coupled with an efficient sample processing allowed the analysis of several classes of veterinary antibiotics in swine manure in a short analysis time. Detection limits ranged between 2.5 and 8.3 µg kg-1 and are comparable with those obtained with liquid chromatography in a similar matrix. In order to simultaneously analyze a series of tetracyclines, a second analytical method using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (HRMS) was proposed. The use of HRMS was motivated by the fact that this mass spectrometer is less sensitive to false positive that the traditional triple quadrupole given the complexity of the studied matrix. Detection limits between 1.5 and 3.6 µg kg-1 have been achieved in swine manure using a fragmentation analysis mode to avoid false positives. Targeted screening methods are interesting approaches when contaminants are suspected to be present in a sample. However, a non-included contaminant in this targeted analysis method could not been detected even at a high concentration. In this context, a non-target compound screening method focused on veterinary pharmaceutical compounds in swine manure was developed using liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry. A polymeric SPE cartridge was used to collect polar compounds including pharmaceuticals prior analysis. This method allowed the identification of antibiotics and pharmaceuticals of commonly used in swine farming. Most of the analytical methods available in the literature focus on parent compounds, regardless degradation products. The approach used in the second method of analysis was applied and extended to other classes of antibiotics to measure concentrations of several antibiotic residues in soils and drainage waters of an experimental agricultural field. Field soil contained a mixture of antibiotics and their related degradation products with concentrations measured up to 1020 µg kg-1. Some of these compounds have migrated through the field via drainage waters wherein concentrations up to 3200 ng L-1 were observed.

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Salmonella genomic island 1 (SGI1) est un élément intégratif mobilisable décrit pour la 1ère fois dans un clone penta-résistant de Salmonella Typhimurium DT104. Depuis, plusieurs variants et îlots apparentés (Proteus genomic island 1 (PGI1)) ont été rapportés dans différents sérotypes de Salmonella enterica et chez Proteus mirabilis. Ces îlots de résistance sont constitués d’un squelette plutôt stable et d’une région de multirésistance (MDR) variable. L’objectif de cette thèse était d’étudier ces îlots dans des souches cliniques de P. mirabilis (CHU de Dijon et Lariboisière à Paris) et de S. enterica (CHU de Dijon). La prévalence de ces îlots variait de 5 à 16% chez P. mirabilis ayant acquis au moins une résistance. L’étude génotypique a montré une grande diversité des souches mais également la présence de quelques clones porteurs de SGI1 ou PGI1. Le séquençage de ces îlots a mis en évidence la grande plasticité des régions MDR souvent en lien avec des mouvements d’IS26. Ces dernières permettent à la région MDR de s’enrichir en nouveaux gènes de résistance (ex : blaCTX-M-15) présents dans des structures antérieurement décrites sur des plasmides de clones d’entérobactéries répandus. De nombreuses espèces d’entérobactéries porteuses d’un plasmide IncA/C sont capables d’acquérir par conjugaison un îlot provenant d’une autre entérobactérie. Cet îlot s’intègre alors au niveau du site chromosomique spécifique (trmE). Sous pression antibiotique et en présence d’un plasmide IncA/C, les souches peuvent être complètement excisées de leur îlot. Ainsi, ces îlots sont des interfaces de résistance à la fois stables mais aussi dynamiques favorisant la dissémination des gènes de résistance. Une virulence accrue par la présence de ces îlots chez S. enterica n’a pas pu être confirmée ni dans le modèle d’infection expérimentale de C. elegans, ni dans une étude rétrospective chez l’homme (prévalence de 12%). En revanche, P. mirabilis avait tendance à être plus pathogène chez C. elegans lorsqu’il était porteur d’un îlot / Salmonella genomic island (SGI1) is an integrative mobilizable element initially described in an epidemic multidrug-resistant Salmonella Typhimurium DT104. Since this first report, many variants and related genomic islands (Proteus genomic island 1 (PGI1)) have been described among Salmonella enterica serovars and in Proteus mirabilis. These islands have a stable backbone and a highly variable multidrug-resistant (MDR) region. The objective of this work was to study SGI1 from clinical P. mirabilis isolates (University hospitals of Dijon and Lariboisière - Paris) and S. enterica (University hospital of Dijon) The prevalence of these islands ranged from 5% to 16% in P. mirabilis with at least one acquired resistance. The genotypic analysis revealed a wide diversity among isolates but also the presence of some clonal isolates harbouring SGI1 or PGI1. Genomic island sequencing revealed the great plasticity of MDR regions, primarily mediated by IS26. Thanks to IS26 movements, the MDR region gains resistance genes (such as blaCTX-M-15) present in structures initially detected in plasmids from widely distributed Enterobacteriaceae. Many species of Enterobacteriaceae that harbour IncA/C plasmids are able to acquire islands by conjugation. These islands are then incorporated into specific sites on the chromosome (trmE). They could also be completely excised from Enterobacteriaceae under antibiotic pressure in the presence of an IncA/C plasmid. Genomic islands should be regarded on the one hand as a steady interface of resistance and on the other hand as a dynamic interface conveying resistance genes. Finally, SGI1 of S. enterica was not found to increase virulence in a Caenorhabditis elegans model or in a retrospective clinical study (12% of prevalence). However, it seems that P. mirabilis becomes more virulent when it harbours SGI1 in Caenorhabditis elegans

L’utilisation massive des antibiotiques, depuis les années 50, génère une libération importante de ces molécules dans l’environnement (excrétion via les urines et les fèces) que l’on peut retrouver à des concentrations allant de 1 à 100 ng/L dans les eaux usées urbaines. Parce qu’elle réunit microorganismes résistants et antibiotiques, la station d’épuration d’eaux usées urbaines pourrait être une zone propice au transfert des gènes de résistance. Cependant, avec sa position stratégique à l’interface entre les activités humaines et l’environnement, la station d’épuration pourrait constituer un « rempart » contribuant à limiter leur dissémination dans l’environnement.Les paramètres qui influencent ces transferts dans les stations d’épuration sont encore mal connus, en particulier du fait de limitations méthodologiques. Aussi l’objectif de notre travail était de déterminer les facteurs environnementaux influant sur la stabilité et le transfert d’un élément génétique mobile modèle, le plasmide pB10, dans des communautés bactériennes (biomasses de stations d’épuration et sédiments de rivière) maintenues en microcosmes. Jusqu’à présent, les transferts de gènes de résistance ont été principalement étudiés avec des méthodes reposant sur la culture de microorganismes sur milieux sélectifs, dont nous savons aujourd’hui qu’elles sous-estiment les phénomènes observés. Aussi, nous avons élaboré une approche basée sur la PCR quantitative pour détecter la dissémination d’un ADN mobile modèle amené via une bactérie hôte E. coli DH5α. Les couples amorces/sondes très spécifiques ont pu être élaborés en tirant profit de la structure mosaïque du génome bactérien. L’approche proposée repose sur des mesures comparées du nombre de plasmide pB10 et de son hôte bactérien DH5α au cours du temps, où une augmentation du rapport (pB10/DH5α) implique une dissémination du plasmide vers les bactéries indigènes. Outre l’intérêt du développement méthodologique proposé, cette méthode a permis d’évaluer l’incidence de quelques paramètres environnementaux sur la dissémination d’un ADN au sein de communautés microbiennes complexes. Deux groupes de facteurs ont pu être distingués selon qu’ils influencent la persistance du plasmide pB10 dans les communautés dans son hôte initial (oxygénation/brassage, ajout d’antibiotiques en concentrations sub-inhibitrices comme l’amoxicilline et le sulfaméthoxazole fréquemment retrouvés en station d’épuration) ou/et qu’ils favorisent sa dissémination dans les communautés bactériennes (biofilms, sédiments). Sans induire de transferts génétiques, les antibiotiques testés, même en concentrations sub-létales, pourraient participer à la dissémination de gènes de résistance en favorisant leur persistance / The widespread use of antibiotics since the 50s, generates a significant release of these molecules in the environment (excretion via urine and feces) which can be found at concentrations ranging from 1-100 ng/L in wastewater. Due to the high microbial biomass and the abundance of nutrients, wastewater treatment plants (WWTP) represent a suitable habitat for horizontal gene transfer. Because they occupy a key position between human activities and the environment, WWTP may play a major role in limiting the dissemination of antibiotic resistance genes, therefore contributing to the preservation The parameters which influence these transfers in wastewater treatment plants are still poorly known, especially because of methodological limitations. Therefore the aim of our study was to identify environmental factors affecting the stability and transfer of a mobile genetic element model, the plasmid pB10 in bacterial communities (biomass from wastewater treatment plants and river sediments) maintained in microcosms. So far, the transfer of resistance genes have been studied mainly with methods based on the cultivation of microorganisms on selective media that we know now they underestimate the observed phenomena. Also, an approach based on quantitative PCR was developed for detecting the release of a mobile DNA template from the host bacterium E. coli DH5α. Couples of designed primers/probes were very specific and have been developed by taking advantage of the mosaic structure of the bacterial genome. The proposed approach is based on the over time measurements of the number of plasmids pB10 and its bacterial host DH5α, where an increased ratio (pB10/DH5α) implies a release of the plasmid to the indigenous bacteria. This method was used to assess the impact of some environmental parameters on the release of DNA in complex microbial communities. Two groups of factors could be distinguished according to whether they influence the persistence of plasmid pB10 in communities in microcosms (oxygenation / mixing, addition of antibiotics at sub-inhibitory concentrations as amoxicillin and sulfamethoxazole frequently found in treatment plant) and / or they favor his release in bacterial communities (biofilms, sediments). Without inducing genes transfers, the antibiotics tested, even at sub-lethal concentrations, could participate in the dissemination of resistance genes by facilitating their persistence

Les éléments génétiques mobiles (EGM) sont des structures génétiques fréquemment associées à la dissémination de gènes de résistance aux antibiotiques (GRA). Dans ce travail, nous avons utilisé deux EGM comme « proxies », les intégrons de classe 1 et les plasmides IncP-1, afin de mieux comprendre (i) le devenir possible des GRA une fois relargués dans un écosystème fluvial (l’Orne, France), ainsi que (ii) l’effet des pressions anthropiques sur leur persistance. À partir d'analyses de l'eau des rivières, nous avons pu montrer que les deux EGM ne se comportaient pas de la même manière. L'entrée des intégrons de classe 1 dans le système fluvial semblait être diffuse plutôt que ponctuelle, tandis que l'abondance du plasmide IncP-1 est relativement stable le long de la section de la rivière étudiée (23 km), indiquant ainsi une origine plutôt indigène. Les intrants anthropiques tels que les stations d’épuration des eaux usées ne semblent pas affecter l’abondance des EGM en raison d’un niveau trop élevé de dilution des effluents. Par ailleurs, il est intéressant de noter que les bactéries porteuses d’EGM semblaient être enrichies sur les matières en suspension, susceptibles de servir de véhicule pour amener des communautés de bactéries plus riches en EGM vers les sédiments. L'analyse de deux carottes de sédiment indique clairement que seules les couches supérieures présentent un niveau élevé de bactéries porteuses d’EGM. Ces abondances diminuent dans les couches plus profondes où seules des zones ponctuelles présentent des microréservoirs avec des abondances d’EGM plus élevées. Pour une carotte sédimentaire au moins, nous avons pu montrer que l'abondance relative d’EGM corrèle négativement la présence de polluants tel que le plomb ou certains HAP / Mobile genetic elements (MGEs) are genetic structures frequently associated to the dissemination of antibiotic resistance genes (ARGs). In this work, we used two of them as proxies, class 1 integrons and IncP-1 plasmids, to better understand (i) the possible fate of ARGs once released in a river ecosystem (Orne, France), as well as (ii) the effect of anthropogenic pressures on their persistence. From river water analyses, we could show that the two MGEs do not behave the same way. The entry of class 1 integrons in the river system appeared to be diffuse rather than punctual, while the abundance of IncP-1 plasmid is relatively stable along the river section studied (23 km) thus indicating a rather indigenous origin. Anthropic inputs such as wastewater treatment plant did not seem to affect the abundance of MGEs because a too high level of effluent dilution. Interestingly, MGE-bearing bacteria appeared to be enriched on suspended material, which is likely to serve as a vehicle to drive MGE-richer communities of bacteria toward the sediments. The analysis of two sediment cores clearly indicates that only the top layers displayed an elevated level of MGE-bearing bacteria. These abundances decrease in deeper layers where only localized zones display micro-reservoirs of elevated MGE abundances. For one sediment core at least, we could show that the relative abundance of MGE negatively correlates with pollutants such as lead or certain PAHs

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Les pompes d'efflux sont des complexes macromoléculaires qui permettent l'efflux des antibiotiques à travers les deux membranes (interne et externe). Ces pompes, spécifiques des bactéries Gram négatif, constituent l'un des acteurs majeurs du phénomène de résistance aux antibiotiques, en contribuant ainsi à la résistance intrinsèque et acquise de ces bactéries à de nombreuses molécules utilisées en antibiothérapie. Chez P. aeruginosa, ces pompes appartiennent pour la plupart à la famille des transporteurs RND. Ce sont des complexes tripartites constitués d'un transporteur de la membrane interne (RND), d'un adaptateur périplasmique (MFP) et d'un canal de la membrane externe (OMF). Ces composants ont été caractérisés individuellement chez de nombreuses bactéries. Cependant, les mécanismes qui régissent l'assemblage et la dissociation de la pompe, essentiels pour son fonctionnement, demeurent mal compris. Nous nous sommes donc intéressés au cours de ce travail aux pompes à efflux de Pseudomonas aeruginosa. Nous avons notamment procédé à la caractérisation structurale du canal OprN de la pompe MexEF-OprN impliquée dans la résistance aux fluoroquinolones et à la caractérisation biophysique du transporteur RND MexY de la pompe MexXY-OprM, spécifique des aminoglycosides. Nous avons étudié en parallèle le mécanisme d'ouverture du canal OprM seul in vitro (aspects structuraux) et in vivo (aspects fonctionnels) au sein de la pompe assemblée. Nos résultats montrent que les OMFs de P. aeruginosa présentent des similitudes avec les OMFs d'autres bactéries Gram négatif, mais également des différences, notamment pour OprN et OprM au niveau de l'interaction avec leurs partenaires ou encore pour OprM concernant l'ouverture du canal. Nous avons par ailleurs participé à l'étude in vitro de l'assemblage et du transport à travers la pompe MexAB-OprM, reconstituée au sein de protéoliposomes, confirmant l'importance de l'acylation de la MFP dans la formation du complexe et montrant l'importance de la force proto-motrice dans l'assemblage de la pompe mais pas dans sa dissociation. En parallèle de l'étude des pompes à efflux, nous nous sommes intéressés à un autre système de résistance, impliqué dans la dégradation des antibiotiques. Nous avons donc réalisé, en collaboration avec le Pr Patrick Plésiat (laboratoire de Bactériologie de Besançon), la modélisation de mutants de la beta-lactamase AmpC de P. aeruginosa, permettant de lier les effets fonctionnels observés à des hypothèses de modifications conformationnelles. / Multidrug efflux systems are membrane transport proteins that are used to translocate a wide variety of drugs across the inner and the outer membranes of Gram-negative bacteria, leading to natural and acquired antimicrobial resistances.Most of the multidrug transporters of P. aeruginosa belong to the resistance-nodulation-cell division (RND) superfamily.They function as three-component assemblies made of an inner membrane transporter (RND), a periplasmic membrane fusion protein (MFP) and an outer membrane factor channel (OMF). Along with functional studies, many crystal structures of the individual components of the pump have been solved but the interactions underlying the complex assembly and the opening mechanism of the outer channel remain unclear. In this study, we investigated structural and functional insights of P. aeruginosa efflux pumps. We solved the crystal structure of the MexEF-OprN efflux pump outer membrane channel OprN mainly involved in fluoroquinolones resistance. Our new structure highlights the differences between P. aeruginosa and other Gram-negative bacteria OMFs that could explain their specific interaction with the cognate MFP partners. We also purified and characterized the inner membrane transporter MexY from the MexXY-OprM efflux pump, which is the major determinant of aminoglycosides resistance in P. aeruginosa. Besides, we solved the crystal structure of a mutatedform of the outer membrane channel OprM in order to understand its opening mechanism. We also investigated in vivo effect of the OprM mutants in antibiotics resistance by MIC measurements and tried to correlate with the observed structural modifications leading to the open state. Moreover, we set up a new in vitro test allowing the investigation of the assembly of the MexAB-OprM efflux pump. Our results showed the importance of MexA and its lipid anchor in promoting and stabilizing the complex assembly. In addition, as a side project with the group of Pr Plésiat (laboratoire de Bactériologie de Besançon), we built different structural models of AmpC mutants from overproducing clinical isolates,showing the possible conformational changes that lead to the resistance increase.

Les antibiotiques β-lactamines sont parmi les médicaments antimicrobiens les plus anciens et les plus utilisés. L'enzyme bactérienne β-lactamase hydrolyse l'antibiotique β-lactame en cassant la structure de base "anneau β-lactame". Pour identifier les nouvelles β-lactamases, une étude complète a été réalisée dans diverses bases de données biologiques telles que Human Microbiome Project, env_nr et NCBI nr. L'analyse a révélé que les séquences ancestrales putatives et les recherches de profil HMM jouaient un rôle important dans l'identification de la base de données homologue et métagénomique à distance dans l'enzyme β-lactamase existante comme matière noire. Les larges analyses phylogénétiques des β-lactamases existantes et nouvellement identifiées représentent les nouveaux clades dans les arbres. En outre, l'activité d'hydrolyse des antibiotiques β-lactamines de séquences nouvellement identifiées (provenant d'archées et d'humains) a été étudiée en laboratoire, ce qui montre l'activité de la β-lactamase. La deuxième phase de l'étude a été entreprise pour examiner l'évolution fonctionnelle des β-lactamases. Premièrement, des séquences de protéines ß-lactamase 1155 ont été extraites de la base de données ARG-ANNOT et des valeurs CMI la littérature correspondante. Les résultats ont révélé que l'activité fonctionnelle de la β-lactamase évoluait de manière convergente au sein de la classe moléculaire. La troisième phase de cette thèse représente le développement d'une base de données intégrative de β-lactamases. La base de données publique actuelle de β-lactamases a des informations limitées, par conséquence, une base de données intégrative a été développée. / The β-lactam antibiotics are one of the oldest and widely used antimicrobial drugs. The bacterial enzyme β-lactamase hydrolyzes the β-lactam antibiotic by breaking the core structure “β-lactam ring”. To identify the novel β-lactamases a comprehensive investigation was performed in different biological databases such as Human Microbiome Project, env_nr, and NCBI nr. The analysis revealed that putative ancestral sequences and HMM profile searches played a significant role in the identification of remote homologous and uncovered the existing β-lactamase enzyme in the metagenomic database as dark-matter. The comprehensive phylogenetic analyses of extant and newly identified β-lactamase represent the novel clades in the trees. Further, the β-lactam antibiotic hydrolysis activity of newly identified sequences (from archaea and human) was investigated in laboratory, which shows β-lactamase activity.The second phase of the investigation was undertaken to examine the functional evolution of β-lactamases. First, 1155 β-lactamase protein sequences were retrieved from ARG-ANNOT database and MIC values from the corresponding literature. The results revealed that the functional activity of β-lactamase evolved convergently within the molecular class.The third phase of this thesis presents development of an integrative β-lactamase database. The existing public database of β-lactamase has limited information, therefore, an integrative database was developed.