La présence de micro-organismes pathogènes dans les produits alimentaires représente un risque important de santé publique. La réglementation régit leur contrôle en imposant, dans la majorité des cas, la recherche d’une faible quantité de ces bactéries. Les méthodes de détection de référence sont simples à mettre en œuvre mais chronophages et nécessitent un temps d’analyse de plusieurs jours. Aussi, un des enjeux majeurs dans le domaine du contrôle alimentaire, est la mise au point de méthodes sensibles et rapides pour la détection d’un ou plusieurs pathogènes dans des matrices alimentaires. Ces nouvelles technologies ont pour but de réduire le nombre de toxi-infections alimentaires tout en augmentant la durée de commercialisation des produits et en limitant les impacts économiques négatifs pour les industries (longues périodes de stockage, rappels de lot, etc.).Dans ce contexte, nous nous sommes intéressés à la mise au point d’une méthode alternative aux méthodes de références, basée sur un biocapteur présentant une transduction de type résonance des plasmons de surface (SPR). Cette technologie présente de multiples avantages : simplicité de mise en œuvre, analyse en temps réel, absence de marquage, etc. Des preuves de concept de son utilisation, pour la détection de bactéries pathogènes ont été présentées dans la littérature, utilisant principalement des récepteurs de type anticorps.Au cours des travaux présentés dans cette thèse nous nous sommes intéressés à la détection de bactéries pathogènes alimentaires majeures en termes de prévalence ou de gravité de l’infection, qu’elles soient Gram positif ou Gram négatif. La production d’anticorps performants a également été optimisée pour obtenir des anticorps polyclonaux sensibles et spécifiques de plusieurs genres bactériens. Les cinétiques de croissance bactérienne ont été analysées par SPR afin d’identifier les principaux phénomènes impactant la détection. Des techniques en haute résolution ont permis une meilleure compréhension des événements se produisant à la surface du biocapteur. Ces études ont menés à l’obtention d’un système permettant la détection multiplexe d’un faible inoculum de bactéries pathogènes dans des matrices alimentaires (salade et poudre de lait infantile) en moins de 24h. / The presence of pathogenic micro-organisms in foodstuff is a major concern for health safety. Regulations impose, in most cases, the research of low levels of these bacteria. Although reference methods are simple, they are time-consuming and can require several days before obtaining results. This is why one of the major challenges in food hygiene science is the development of sensitive and rapid methods, for the detection of one or more pathogens. These new technologies aim to decrease the occurrence of foodborne infections, while improving both the shelf life of food products and industrial production costs (long storage times, recalls …).In this context, the development of an alternative method has been carried out in this work, using a biosensor with a transduction based on surface plasmon resonance (SPR). Such optical technology offers multiple benefits: ease-of-use, real-time analysis, label-free process… Proofs of concept for the use of this technology in basic conditions, for the detection of model bacteria, have been described in the literature, mostly using antibodies as receptors, but the full operation in "real" conditions encountered in industrial facilities still has to be tested and optimizedThis manuscript thus describes the detection of foodborne pathogenic bacteria playing a major role in terms of prevalence and/or severity of the caused infection, whether Gram positive or negative. The production of efficient antibodies was optimized, resulting in polyclonal antibodies sensitive and specific for multiple bacterial genera. Dynamics of bacterial growths were analysed by SPR in an effort to identify the main factors having an impact on the detection. High resolution SPR was used for a better understanding of reactions occurring at the surface of the biosensor. These studies lead to the development of a system capable of multiplex detection of low bacterial inoculum in food samples (lettuce and powdered infant formula) within less than 24 hours.

Les canaux ioniques pentamériques activables par un ligand (pLGIC) sont l'une des principales familles de canaux transmembranaires. Ils permettent la transduction rapide du signal dans le système nerveux central et périphérique via la liaison de neurotransmetteurs. Les pLGIC sont également présents chez les archées et les bactéries. Seuls deux pLGIC bactériens ont été caractérisés biochimiquement et structurellement jusqu'à présent (GLIC et ELIC). Ils servent de modèle d’étude à de nombreux scientifiques et ont été largement étudiés aussi bien au niveau fonctionnel que structural. Dans la première partie de mon travail de thèse, j'ai purifié, cristallisé et résolu la structure cristalline d'un nouveau pLGIC originaire d'un symbiote de gamma-protéobactérie de Tevnia jerichonana (sTeLIC). Des expériences fonctionnelles montrent que sTeLIC est activé par un pH alcalin, est sélectif pour les ions cationiques monovalents et inhibé par les cations divalents. La structure cristalline résolue à pH 8,0 présente un pore largement ouvert qui est le premier de ce type à être caractérisé dans cette famille pLGIC. De plus, nous avons identifié un modulateur fortement positif qui se lie au "site vestibulaire" dans le domaine extracellulaire, et nous avons résolu la structure cristalline de ce complexe. Des expériences fonctionnelles montrent également que sTeLIC partage de nombreuses fonctionnalités avec ELIC. ELIC et sTeLIC constitutent les archétypes d’une nouvelle classe de pLGICs, dont la forme active se caractérise par un pore largement plus ouvert que les autres pLGICs.Dans la deuxième partie de mon travail de thèse, les résidus senseurs de protons dans GLIC ont été cartographiés, afin de déterminer comment la liaison du proton stabilise l'état ouvert de GLIC. Tous les résidus titrables de GLIC ont été cartographiés par mutagenèse dirigée afin de découvrir des capteurs de protons impliqués dans le processus de déclenchement. Nous avons ainsi démontré que la résidu E35 est un résidu clé, dont la forme chargée stabilise l’état de repos, et la forme protonée l'état actif. Nous avons également démontré que la réponse au proton dépend de deux réseaux distincts à l'interface ECD-TMD qui stabilisent l'état ouvert de GLIC. Dans la troisième partie, j'ai cloné, purifié, cristallisé et déterminé les structures cristallines des formes ouvertes et fermées de DeCLIC, un pLGIC de la protéobactérie Desulfofustis. Chaque sous-unité contient un grand domaine additionnel N-terminal constitué de deux sous-domaines (NTD1 et NTD2). Il s’agit de la première structure d’un pLGIC qui contient un domaine supplémentaire extracellulaire non-canonique. / Ligand-gated pentameric ion channels (pLGIC) are one of the major families of transmembrane receptors. They allow rapid signal transduction in the central and peripheral nervous systems via neurotransmitters binding. PLGICs are also present in archaea and bacteria. Only two bacterial pLGICs have been biochemically and structurally characterized so far (GLIC and ELIC). They serve as working models for many scientists and have been extensively studied both at the functional and structural levels. In the first part of my thesis, I purified, crystallized and solved the crystal structure of a new pLGIC from gamma-proteobacterial symbionts of Tevnia jerichonana (sTeLIC). Functional experiments show that sTeLIC is activated by alkaline pH, and is selective for monovalent cationic ions and inhibited by divalent cations. The crystal structure solved at pH 8.0 displays a widely open pore that is the first of this kind to be characterized in the pLGIC family. In addition, we identified a strongly positive modulator that binds to the "vestibule site" in the extracellular domain, and we solved the crystal structure of this complex. Functional experiments show that sTeLIC shares many features with ELIC. ELIC and sTeLIC are the archetypes of a new class of pLGICs, whose active form is characterized by a much more open pore than other pLGICs. In the second part of my thesis, the proton sensor residues in GLIC have been mapped. All titratable GLIC residues were tested by site-directed mutagenesis to discover proton sensors involved in the triggering process. We have demonstrated that the residue E35 is a key residue, whose charged form stabilizes the resting state, and the protonated form the active state. We have also demonstrated that the proton response is dependent on two distinct networks at the ECD-TMD interface, which stabilize the open state of GLIC.In the third part of my thesis, I cloned, purified, crystallized and determined the crystal structures of the open and closed forms of DeCLIC, a pLGIC of Desulfofustis proteobacterium. Each subunit contains a large N-terminal additional domain consisting of two subdomains (NTD1 and NTD2). This is the first structure of a pLGIC which contains a non-canonical additional extracellular domain.

Une meilleure compréhension du rôle des bactéries dans les écosystèmes aquatiques nécessite une meilleure connaissance de la dynamique, de la composition et des facteurs de contrôle des groupes qui constituent ces communautés. Toutefois, les études qui se sont intéressées à cet aspect de l'écologie microbienne aquatique ont, pour la plupart, concerné les groupes bactériens dominants. Parmi les phyla bactérien non dominants, les Planctomycetes restent peu connus tant en terme de dynamique que de rôle fonctionnel en milieu naturel, bien qu'étant reconnus ubiquistes. Le manque de connaissances sur ce groupe est encore plus marqué dans les écosystèmes lacustres. Pourtant, les quelques études consacrées à ce groupe bactérien dans les écosystèmes aquatiques indiquent qu'ils sont impliqués dans deux processus clés de leur fonctionnement à savoir l'oxydation de l'ammonium en conditions anaérobies (anammox) ainsi que la dégradation et le changement de qualité de la matière organique dissoute. L'objectif principal de cette thèse était donc de caractériser la diversité, la dynamique spatio-temporelle ainsi que les facteurs de contrôle des Planctomycetes dans les lacs, dans le but de mieux connaître la dynamique des bactéries non dominantes, qui constituent une très large part de la diversité bactérienne totale. L'absence d'outils moléculaires permettant de caractériser les communautés de Planctomycetes dans les lacs nous a tout d'abord conduit à faire une rigoureuse mise au point méthodologique. Cette dernière a abouti à la caractérisation d'un couple d'amorces (PLA352F/PLA920R) permettant de détecter et d'amplifier spécifiquement tous les genres de Planctomycetes dans ces écosystèmes, et pouvant être utilisé dans les approches d'empreintes moléculaires comme la DGGE. L'étude spatio-temporelle, réalisée dans deux lacs péri-alpins à partir de ce couple d'amorces, a ensuite permis de révéler que les Planctomycetes, malgré leur faible abondance relative dans la communauté bactérienne lacustre, présentent une richesse taxonomique élevée jusqu'ici insoupçonnée. Ils sont caractérisés par une structure taxonomique similaire aux bactéries dominantes puisqu'ils sont composés d'un nombre réduit d'OTUs dominantes et d'un très grand nombre d'OTUs faiblement représentées en nombre de séquences. Ce résultat soutient l'idée selon laquelle le concept de cores species (espèces dominantes) et de satellites species (espèces rares), récemment transposé aux groupes bactériens dominants, s'applique aussi aux groupes moins abondants ou rares. Nos résultats ont également mis en évidence que les communautés de Planctomycetes des lacs étaient très structurées dans l'espace et dans le temps. Les patterns de distribution de ce phylum bactérien étaient très similaires à ceux décrits pour les groupes bactériens plus abondants à savoir (i) une forte hétérogénéité verticale (certains genres étant présents essentiellement dans les couches profondes des lacs) ainsi qu' (ii) une dynamique saisonnière importante principalement mise en évidence dans la partie épilimnique des lacs. Cette structuration n'est pas le fruit d'une dispersion aléatoire liée à des processus stochastiques comme l'immigration mais est au contraire fortement dépendante des facteurs environnementaux. Nos résultats ont en effet montré que la richesse spécifique ainsi que la diversité des communautés de Planctomycetes sont fortement dépendantes de l'évolution du pH. De même, la température semble également être un facteur clé dans la dynamique et la composition globale des Planctomycetes. En revanche, l'effet des nutriments inorganiques semble moins influent dans le contexte de notre étude et la compétitivité des Planctomycetes vis-à-vis de ces ressources pourrait dépendre d'autres facteurs que nous n'avons pas analysés. / Understanding the role of microbes in the functioning of ecosystems is currently one of the major challenges in microbial ecology. One important step to this challenge is the assessment of the diversity of these microbial communities and their driving factors. With the recent methodological advances in molecular approaches, knowledge on the structural and functional diversity of bacterial communities in aquatic ecosystems has considerably increased during the last twenty years. However most of these studies concerned either the bacterial community or the most abundant bacterial groups, such as Actinobacteria and Proteobacteria. Only few data are available on the dynamics and diversity of less abundant but ubiquitous phyla such as Planctomycetes. This is particularly true for freshwater ecosystems, for which data on this phylum are much less abundant, compared to marine and soil ecosystems. Yet, members of this bacterial group are thought to play an important role in biogeochemical processes in aquatic systems, including nitrogen cycling and degradation of organic matter. Thus, the aims of this thesis were (1) to compare the structure and the composition of the Planctomycetes communities in two peri-alpine lakes with contrasting environmental conditions (2) to assess the vertical and temporal variations in the composition of these communities and (3) to characterize the different environmental factors that control these communities.

Les bactéries buccales n'infectent pas seulement la bouche mais y resident. Elles peuvent également passer dans la voie sanguine et atteindre des organes secondaires. S’il n'est pas traité, le biofilm dentaire peut provoquer une inflammation destructrice dans la cavité buccale, entrainant de graves complications médicales. Dans ce biofilm, Streptococcus gordonii, colonisateur oral primaire, constitue la plate-forme sur laquelle des colonisateurs pathogènes tardifs comme Porphyromonas gingivalis, l'agent causal des maladies parodontales, se lieront. L'objectif de la première partie de la thèse était de déterminer l'activité antibactérienne de onze composés de lichens appartenant à différentes familles chimiques, pour découvrir de nouveaux antibiotiques pouvant combattre ces bactéries buccales. Nous avons montré que trois composés avaient des activités antibactériennes prometteuses. L'acide psoromique enregistrait les CMIs le plus faibles. De nouveaux analogues de butyrolactone ont ensuite été conçus et synthétisés sur la base des composés antibactériens licheniques connus, les acides lichesteriniques, en substituant différents groupes fonctionnels sur le cycle butyrolactone pour améliorer son activité sur S. gordonii et P. gingivalis. Parmi les dérivés, B-12 et B-13 avaient la plus faible CMI où ils se sont révélés être des bactéricides plus forts, 2 à 3 fois plus, que l'antibiotique, doxycycline. B-12 et B-13 étaient également les plus efficaces vis-à-vis de P. gingivalis. La cytotoxicité de ces 2 composés a ensuite été vérifiée contre les cellulaires épithéliales gingivales humaines et les macrophages. Ils ne présentaient pas de toxicité contre les cellules testées. Une étude préliminaire de relation structure-activité a révélé le double rôle important apporté par deux substituants, chaîne alkyle en C5 et groupe carboxyle en C4 positions, dans leur mécanisme d'action. Ceci a été suivi par l'étude de l’activité antibiofilmique de B-12 et B-13 contre les deux souches orales en utilisant un test de cristal violet et microscopie confocale. Les deux dérivés ont montré, à une concentration plus faible, une inhibition maximale de la formation du biofilm, LCMI, de 9.38 μg/mL contre S. gordonii et 1.17 μg/mL contre P. gingivalis. Cependant, lorsque des concentrations sous-inhibitrices de B-12 et B-13 ont été utilisées, nous avons démontré que les deux souches étudiées pouvaient former des biofilms in vitro, accompagné d’une diminution de l'expression des gènes impliqués dans l'adhésion et la formation de biofilm. Pour mieux comprendre les mécanismes d'action des butyrolactones, nous avons étudié la localisation bactérienne du composé B-13 en synthétisant un B-13 marqué au NBD (4-nitro-benzo [1,2,5] oxadiazole) fluorescent conservant son activité antibactérienne. Par microscopie confocale et HPLC, nous avons montré que ce composé se lie à la surface cellulaire de S. gordonii. Ensuite, B-13 induit une rupture de la paroi cellulaire conduisant à la libération des constituants bactériens et par conséquent, à la mort de S. gordonii, une bactérie Gram-positive. L'expression de deux gènes, murA et alr, impliqués dans la synthèse de la paroi cellulaire, a été modifiée en présence de cette butyrolactone. Les bactéries Gram négatives telles que P. gingivalis ont également montré des cellules abimées présentant une rupture de la paroi en présence de B-13, ce qui suggère que cette butyrolactone agit sur des Gram-positives et Gram-négatives avec une plus grande efficacité contre les Gram-négatives. En outre, nous avons également démontré que l'analogue de B-13, B-12, induit une perturbation de la morphologie de P. gingivalis et S. gordonii. Toutes ces études ont démontré que les butyrolactones dérivées de lichen peuvent être proposés comme des composés antibactériens puissants contre les agents pathogènes oraux qui causent des complications médicales graves. / The oral bacteria do not only infect the mouth and reside there, but also travel via the blood and reach distant body organs. If left untreated, the dental biofilm that can cause destructive inflammation in the oral cavity may result in serious systemic medical complications. In dental biofilm, Streptococcus gordonii, a primary oral colonizer, constitutes the platform on which late pathogenic colonizers like Porphyromonas gingivalis, the causative agent of periodontal diseases, will bind. The aim of the first study was to determine the antibacterial activity of eleven natural lichen compounds belonging to different chemical families to uncover new antibiotics which can fight against the oral bacteria. Three compounds were shown to have promising antibacterial activities where psoromic acid had the lowest MICs of 11.72 and 5.86 µg/mL against S. gordonii and P. gingivalis, respectively. Novel butyrolactone analogues were then designed and synthesized based on the known lichen antibacterial compounds, lichesterinic acids (B-10 and B-11), by substituting different functional groups on the butyrolactone ring trying to enhance its activity on S. gordonii and P. gingivalis.. Among the derivatives, B-12 and B-13 had the lowest MIC of 9.38 µg/mL where they have shown to be stronger bactericidals, by 2-3 times, than the reference antibiotic, doxycycline. B-12 and B-13 were also the most efficient on P. gingivalis exhibiting MIC of 0.037 and 0.293 µg/mL and MBC of 1.17 and 0.586 µg/mL, respectively. These 2 compounds were then checked for their cytotoxicity against human gingival epithelial cells and macrophages by MTT and LDH assays which confirmed their safety against the tested cell lines. A preliminary study of the structure-activity relationships unveiled the important dual role contributed by two substituents, alkyl chain at C4 and carboxyl group at C5 positions, in their mechanism of action. This was followed by the investigation of B-12 and B-13 for their antibiofilm activity against both oral strains using crystal violet assay and confocal microscopy. Both derivatives displayed a lowest concentration with maximal biofilm inhibition, LCMI, of 9.38 µg/mL against S. gordonii and 1.17 µg/mL against P. gingivalis. However, when sub-inhibitory concentrations of B-12 and B-13 were used, we demonstrated that the two investigated strains were able to form biofilms in vitro. Indeed, this antibiofilm activity decreased as indicated by the expression of the genes implicated in adhesion and biofilm formation. To better understand the mechanism of action of butyrolactones, we have investigated B-13 bacterial localization by synthesizing a fluorescently labeled B-13 with NBD (4-nitro-benzo[1,2,5]oxadiazole) conserving its antibacterial activity. By confocal microscope, we showed that this compound binds to S. gordonii cell surface and this was also demonstrated by HPLC analysis. By adhering to cell surface, B-13 induced cell wall disruption leading to the release of bacterial constituents and consequently, the death of S. gordonii, a Gram-positive bacterium. The expression of two genes, murA and alr, implicated in cell wall synthesis, was modified in the presence of this butyrolactone. Gram-negative bacteria such as P. gingivalis showed also cracked and ruptured cells in the presence of B-13, suggesting that this butyrolactone acts on Gram-positive and Gram-negative strains, but with greater efficacy against the Gram-negatives. Besides, we also demonstrated that the analogue of B-13, B-12, has also induced disruption of P. gingivalis and S. gordonii. All these studies demonstrated that butyrolactones derived from a lichen metabolite can be proposed as potent antibacterial agents against oral pathogens causing serious medical complications.

L'enrichissement d'aliments courants avec des composés bioactifs aide à promouvoir la santé et réduire le risque de maladies. Cependant, la plupart des bioactifs à propriétés biologiques intéressantes sont de nature hydrophobe et donc présentent des limites d’incorporation dans les aliments dues à leur faible solubilité dans les matrices aqueuses. De plus, leurs activités biologiques se heurtent à des facteurs extrêmes lors des procédés de formulation et de fabrication du produit telle que les fluctuations de pH, de température et de pression. Pour ce, l’encapsulation des bioactifs dans des matrices « biosourcée » s’avèrent être une solution pour améliorer leur biodisponibilité et préserver leurs propriétés fonctionnelles. Dans cette étude, nous avons choisi de traiter le cas de la curcumine, composé phénolique hydrophobe présentant diverses activités biologiques intéressantes telles que notamment une activité antioxydante importante, mais dont l'action est limitée de par sa faible biodisponibilité. Le choix de la matrice d’encapsulation s’est porté sur la micelle de caséine, véritable matrice naturelle et efficace aux propriétés technofonctionnelles variées. Cette thèse a permis de démontrer l’interaction hydrophobe entre la micelle de caséine et la curcumine via les résidus tryptophane. L'incorporation de la curcumine au sein de la micelle de caséine n’influence ni les propriétés structurales (taille, charge de surface et structure interne) ni les propriétés fonctionnelles (gélification) de la micelle. Sachant qu'un des objectifs d'application pourrait être la production d’un yaourt enrichi en curcumine, l’étude de l’interaction entre la curcumine et les bactéries lactiques du yaourt est nécessaire. Il a ainsi été démontré que la curcumine s’adsorbe sur les enveloppes bactériennes de Lactobacillus bulgaricus et préférentiellement sur Streptococcus thermophilus sans inhiber leur croissance et leur pouvoir acidifiant. Une fois en contact avec les micelles de caséines et les LAB, la curcumine se partage entre la micelle et les enveloppes bactériennes pour établir un équilibre. Sachant que la plupart des industries agroalimentaires utilisent dans les étapes de formulation des ingrédients sous forme de poudres plutôt que sous forme liquide, la production d’une poudre de micelle de caséine dopée en curcumine préservant l’activité antioxydante du bioactif tout en conservant les propriétés technofonctionnelles de la micelle de caséine a été réalisée par séchage par atomisation / Enriching common foods with bioactive compounds could help promote health and reduce the risk of diseases. However, most bioactives with interesting biological properties are hydrophobic and therefore have incorporation limits in foods due to their low solubility in aqueous matrices. In addition, their biological activities encounter extreme factors in the formulation and manufacturing processes of the product such as pH, temperature and pressure fluctuations. To this end, the encapsulation of the bioactive elements in "bio" matrices is a solution for improving their bioavailability and preserving their functional properties. In our study, we chose to treat curcumin, a hydrophobic phenolic compound, with various interesting biological activities such as its important antioxidant activity. The choice of the encapsulation matrix was turned to the casein micelle, an effective encapsulation matrix with desired technofunctional properties. This thesis has demonstrated the hydrophobic interaction between the casein micelle and curcumin via tryptophan residues. The addition of curcumin in solution to the casein micelle did not influence the structural properties (size, ζ-potential and internal structure) nor the functional properties (gelling) of the micelle. Knowing that the ultimate goal is the production of yogurt enriched with curcumin, the study of the interaction between curcumin and lactic bacteria of yoghurt is necessary. Indeed, curcumin adsorbs on the bacterial envelopes of Lactobacillus bulgaricus and preferentially on Streptococcus thermophilus without inhibiting their growth and their acidifying power. Once in contact with casein micelles and LABs, curcumin is partitioned between the micelle and the bacterial envelopes to establish a balance. Given that most agro-food industries use more powder rather than aqueous solutions in formulation stages, the production of curcumin-doped casein micelle powder protecting the antioxidant activity of the bioactive while preserving the technofunctional properties of the casein micelle was carried out by spray-drying

Les bactéries magnétotactiques représentent un groupe d’une grande diversité écologique et phylogénétique. Elles sont capables de biominéraliser des nanocristaux de magnétite [un oxyde de fer (Fe(II)Fe(III)2O4)] ou de greigite [un sulfure de fer (Fe(II)Fe(III)2S4)] dans leurs magnétosomes, organites alignés en chaînes permettant la navigation le long des lignes de champ magnétique terrestre. Jusqu'à récemment, seules des souches produisant de la magnétite étaient disponibles en culture pure, conduisant à des études sur les mécanismes de biominéralisation de cet oxyde de fer. En 2011, une nouvelle bactérie capable de former de la magnétite et de la greigite, Desulfamplus magnetovallimortis souche BW-1, a été cultivée avec succès en laboratoire. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser une approche intégrée et multidisciplinaire pour comprendre les mécanismes de biominéralisation de la greigite en utilisant comme modèle d’étude la souche BW-1. Nous avons donc cherché à déterminer les conditions environnementales et biologiques favorisant la formation de la magnétite et de la greigite. Ces travaux ont également conduit à la caractérisation physiologique et phylogénétique de BW-1. Puis, l’utilisation d’approches globales et ciblées de transcriptomique ont permis d'évaluer le taux d'expression des gènes impliqués dans la formation des magnétosomes (magnétite vs. greigite) dans diverses conditions de croissance. Une approche de protéomique a permis d’apporter des informations supplémentaires à cette étude. Ces résultats ont permis de progresser dans la compréhension fondamentale de la biominéralisation in vivo, en particulier pour des bactéries formant de la greigite. / Magnetotactic bacteria represent a phylogenetically and ecologically diverse group of prokaryotes able to biomineralize magnetic nanocrystals composed of magnetite [an iron oxide (Fe(II)Fe(III)2O4)] or greigite [an iron sulfide (Fe(II)Fe(III)2S4)] in their magnetosomes, a prokaryotic organelle whose cytoplasmic alignement in chain allows the cell to navigate along the Earth’s magnetic field lines. Until recently, only magnetite-producing strains were available in pure culture. Thus, only the magnetite biomineralization has been studied. In 2011, a new bacterium able to form both magnetite and greigite, Desulfamplus magnetovallimortis strain BW-1, was isolated from Death Valley, California and cultivated in pure culture. In this work, we propose to use an integrated and multidisciplinary approach to understand the mechanisms involved in greigite biomineralization in BW-1 strain. First, we determined the environmental and biological conditions in which magnetite and greigite are formed. This first part of my thesis also contributed to the physiologic and phylogenetic characterization of this bacterium. Secondly, we used global and targeted transcriptomic approaches to evaluate the transcription levels of genes putatively involved in magnetosomes formation (magnetite vs. greigite) under various growth conditions. A proteomic approach provided additional informations to this study.Results obtained during my thesis contribute to the understanding of in vivo biomineralization, particularly for greigite production in magnetotactic bacteria.

La qualité de l’air des environnements intérieurs est essentielle pour la santé. Le manque de renouvellement d’air et l’humidité dans les habitats favorise la prolifération microbienne. Les effets sur la santé sont multiples et souvent associés à des maladies chroniques respiratoires, tel que l’asthme. Ces effets sont plus ou moins graves selon le niveau d’exposition et la vulnérabilité des occupants et le rôle des moisissures est pointé. Cependant, le manque d’outils valides permettant d’évaluer quantitativement l’exposition aux bactéries environnementales constitue une des principales difficultés pour mieux appréhender leur impact sur la santé humaine. Un protocole expérimental basé sur les techniques culturales a été développé et testé au laboratoire pour mesurer la survie des bactéries dans des poussières domestiques collectées au sol. L’analyse de ces poussières a permis de déterminer le temps de survie des bactéries testées. Cependant, les méthodes culturales actuelles sont limitées et n’apportent pas assez d’informations sur la composition de la flore bactérienne dans l’habitat. L’utilisation des méthodes moléculaires, tel que le séquençage haut débit, est nécessaire pour y remédier. Par ailleurs, les poussières domestiques pourraient constituer un substrat intégrateur de l’exposition chronique des occupants. Outre le développement, la standardisation, et la validation d’outils de mesure, une approche globale de sensibilisation et de prévention du risque d’exposition aux contaminants des environnements intérieurs est recommandée, en particulier chez les populations vulnérables. / Indoor air quality is essential for health. Lack of ventilation and presence of humidity in habitats promotes microbial growth. The health effects are multiple and often associated with chronic respiratory diseases, such as asthma. These effects are more or less serious depending on the level of exposure and the vulnerability of occupants and the role of mold is pointed out. However, the lack of valid tools for quantitatively assessing exposure to environmental bacteria is one of the main difficulties in better understanding their impact on human health. An experimental protocol based on cultural techniques was developed and tested in the laboratory to measure the survival of bacteria in domestic dust collected on the ground. The analysis of these dusts made it possible to determine the survival time of the bacteria tested. However, current culture methods are limited and do not provide enough information on the composition of the bacterial flora in the habitat. The use of molecular methods, such as high throughput sequencing, is needed to address this. In addition, domestic dust could be an integrating substrate for chronic occupant exposure. In addition to the development, standardization, and validation of measurement tools, a comprehensive approach to raising awareness and preventing the risk of indoor exposure to contaminants is recommended, particularly for vulnerable populations.

Le microbiote digestif, composé de 1012 à 1014 bactéries par gramme de selle, est dominé par les bactéries anaérobies. Ces dernières, qui dépassent largement les aérobies, ont été découvertes en 1865 par Louis Pasteur dans ses travaux sur la fermentation. Les bactéries anaérobies représentent un intérêt médical particulier par leur implication dans les maladies infectieuses et métaboliques. Les anaérobies sont caractérisés par leur difficulté à être cultivés, car nécessitant une absence ou des concentrations faibles d’oxygène. Ainsi les connaissances sur ces microorganismes étaient limitées. Cependant, avec l’avènement des outils de biologie moléculaire notamment le séquençage à haut débit et le concept culturomics associé à l’identification par spectrométrie de mass MALDI-TOF, la connaissance des microorganismes anaérobies a été accentuée. Dans ce travail, nous nous sommes attelés dans un premier temps à la mise au point d’un milieu de culture efficace pour la culture des bactéries anaérobies et les tests d’activités antimicrobiennes. Nous avons montré dans un deuxième temps que culturomics, associé au MALDI-TOF, était un outil puissant dans l’identification des bactéries anaérobies en microbiologie clinique, mais également dans l’exploration de la diversité microbienne du tube digestif. Cette technique nous a permis d’isoler 19 nouvelles espèces de bactéries anaérobies dont 9 ont été décrites dans la troisième partie de ce travail. / The human gut microbiota is known to contain around 1012 to 1014 bacteria per gram of feces, with the majority being anaerobic. The latters were first discovered in 1865 by Louis Pasteur while working on fermentation. Anaerobic bacteria are known to play an important role in health and diseases and thus have taken a lot of attention in the medical field, especially in infectiousdiseases and metabolism. These bacteria are known for its sophisticated culture system because its growth requires little to no oxygen. Nevertheless, few is known about these type of microorganisms but with the advancement of molecular biology and sequencing techniques, its study became wider. Culturomics, is a recently developed culture-based approach that relies on optimizing culture conditions for bacterial growth and its identification by MALDI-TOF MS and 16S rRNA sequencing. The present work aims to create and optimized culture condition for anaerobic bacteria along with testing its anaerobic activities. Also, we aim to demonstrate the efficiency of Culturomics and MALDI-TOF in culturing, identifying and describing anaerobic bacteria in clinical microbiology and in the human gut. This approach allowed us to isolate 19 new anaerobic species out of which 9 has been described in this work.Keywords: Human gut microbiota, culture of anaerobic bacteria, culturomics, MALDI-TOF.

Garantir une bonne texture sans ajouter d’additif texturant est un défi pour les producteurs de yaourts. En effet, la texture d’un gel laitier acide est influencée par la formulation du lait, le procédé de fabrication et les ferments. La difficulté rencontrée est l’interdépendance de ces facteurs au cours de la fermentation avec des évolutions simultanées de la matrice au niveau biologique, biochimique et physicochimique. L’utilisation de ferments lactiques produisant des exopolysaccharides (EPS) est considérée comme une solution efficace pour lutter contre la synérèse. Cependant, leur rôle dans la formation des gels laitiers et dans l’apparition d’éventuels défauts de texture comme les grains est peu connu et mal maîtrisé. L’objectif de ce projet de recherche était donc de caractériser les interactions « formulation/ procédés/ ferments » in situ et de comprendre les mécanismes mis en jeux au cours de la structuration des gels laitiers acides en lien avec les propriétés texturales du produit et l’apparition de défauts de texture (synérèse spontanée et grains). Les performances de différents protocoles d’extraction d’EPS ont été établies pour sélectionner les plus adéquats pour la quantification et la caractérisation des EPS produits. Une approche intégrée et multi-échelle a ensuite été mise en place pour caractériser au niveau moléculaire, microscopique et macroscopique la structuration du gel laitier acide en lien avec l’apparition de défauts de texture. La combinaison de trois formulations de lait, de deux barèmes de pasteurisation et de différents ferments a été étudiée. L’ensemble des résultats ont suggéré que la présence de protéines sériques dénaturées est nécessaire pour la formation de grains, mais aussi que certains ferments pourraient inhiber ce défaut. La microstructure des gels obtenus par ces ferments a montré que les chaînes des cellules bactériennes étaient longues, formant de grands amas principalement situés dans les pores du gel. Pour approfondir l’effet du ferment sur la texture du gel, 7 combinaisons de souches ont été étudiées. L'effet inhibiteur du ferment contre l'apparition des défauts de texture, en particulier les grains, a été confirmé. Cet effet technologique ne dépend pas de la cinétique d’acidification, ni de la teneur en EPS, mais est corrélé aux caractéristiques moléculaires des EPS produits et à la morphologie des souches qui induisent un encombrement stérique dans les pores du gels, empêchant la croissance des grains. / It is a challenge for yogurt producers to guarantee a good texture without adding texturing agents. Texture of acid milk gel is influenced by the milk composition, the manufacturing process and the starter cultures. The encountered difficulty is the interdependence of these factors during fermentation with simultaneous biological, biochemical and physicochemical evolutions. Use of exocellular polysaccharide (EPS) producing starter culture is considered as an effective solution to reduce syneresis. However, the role of EPS in the milk gel formation and in the appearance of graininess defect is poorly controlled. The objective of this research project was to characterize the in situ “milk formulation/ process/ starter culture” interactions and to understand the involved mechanisms in the acid milk gel formation related to the gel textural properties and the appearance of texture defects (i.e. spontaneous syneresis and grains). The performance of various EPS extraction protocols has been evaluated to select the most suitable for quantification or characterization of EPS produced. An integrated and multi-scale approach was then conducted to characterize at the molecular, microscopic and macroscopic level the gel formation related to the appearance of texture defects. The combination of three milk formulations, two pasteurization parameters and different starter cultures was studied. All the results have suggested that the presence of denatured WP aggregates is crucial for the formation of grains and some cultures could inhibit this defect. The gel microstructure showed that the bacterial cell chains of these cultures were long, forming large clumps mainly located in the gel pores. To better understand the effect of the starter culture on the gel texture, 7 cultures were studied. The inhibitory effect of culture against the appearance of texture defects, in particular the graininess, was confirmed. This technological effect does not depend on the acidification kinetics or on the EPS content but relates to bacterial microscopic characteristics and the macromolecular properties of the produced EPS, which induce steric hindrance to prevent the growth of the grains.

La maintenance des ouvrages en matériaux cimentaires fissurés a un coût économique et environnemental considérable, les méthodes de traitement actuelles étant polluantes et d’une efficacité limitée à long terme. La biocicatrisation, reposant sur la formation d’un dépôt de carbonate de calcium d’origine bactérienne au sein des fissures du matériau, est une alternative durable et écologique aux résines synthétiques. Cette thèse a pour objectif de créer une méthode de biocicatrisation de fissures d’ouvertures comprises entre 150 et 500 μm, en optimisant sa mise en oeuvre pour une utilisation commerciale. Cette méthode repose sur l’injection de bactéries dans les fissures, par le biais d’un milieu épaissi favorisant la précipitation de CaCO3 biosourcé. Pour ce faire, ce travail de thèse repose sur trois axes. Dans un premier temps, le milieu épaissi est créé puis ses propriétés rhéologiques sont optimisées à l’aide de mesures rhéologiques et d’essais d’injection dans des éprouvettes de mortier fissurées. Dans un deuxième temps, l’effet de l’épaississement du milieu sur la croissance de B. pseudofirmus et sur la bioproduction de carbonate de calcium est évalué. Enfin, des essais de biocicatrisation sont conduits en conditions contrôlées et en milieu extérieur sur des matériaux fissurés afin de vérifier le potentiel de cette méthode à différentes échelles allant de l'éprouvette de mortier à la dalle de béton. Les essais réalisés ont permis de formuler une suspension thixotropique et rhéofluidifiante en combinant deux épaississants, le Welan et l’Attagel. Cette suspension peut être injectée efficacement et sans drainage dans des fissures de 150 à 800 μm d’ouverture. L’ajout d’épaississants n’a pas d’impact sur la croissance de B. pseudofirmus et augmente la production de carbonate de calcium par les bactéries. Les essais de biocicatrisation ont démontré que l’utilisation de milieu épaissi contribue durablement au colmatage des fissures en formant un film solide lors de son séchage, et constitue un support au sein duquel les bactéries peuvent réaliser le processus de biocicatrisation malgré les fortes contraintes imposées par une utilisation in situ. A l’issue du traitement de biocicatrisation, la production de CaCO3 au sein des fissures par la souche bactérienne d’étude, B. pseudofirmus, a pu être démontrée par des observations microscopiques (MEB). Les essais menés au cours de ce projet ont permis de mettre au point une méthode de biocicatrisation ayant un potentiel pour une utilisation commerciale, se démarquant par sa facilité d’emploi et le cumul entre colmatage abiotique et biologique. / Abstract : Maintenance of cracked cementitious materials comes at a high environmental and economic cost, as current reparation technologies are polluting and lack long-term durability. Bio-healing, which relies on the clogging of cracks with bacterial calcium carbonate, is a durable and environmentfriendly alternative to synthetic resins. Indeed, calcium carbonate, calcite in particular, is a long-lasting material, and bacterial activity does not require the use of any toxic chemicals. Based on a previous study proving the bio-healing potential of the bacteria Bacillus pseudofirmus under controlled conditions, this project aims to design a bio-healing method allowing to repair cracks from 150 to 500 µm wide and fitting commercial use. This method relies on the injection of bacteria in cracks, using a thickened medium which enhances CaCO3 bioproduction. To achieve this goal, the work was organized according to three phases. The first phase is to create and characterize the thickened medium through rheological measurements and injection tests in cracked mortars. For the second phase, the effect of the thickened medium on bacterial growth and bioproduction of CaCO3 is assessed through growth experiments. For the third phase, bio-healing tests are performed in a controlled environment and outdoors on cracked materials in order to confirm the potential of this method for commercial use, for lab and pilot scales. During the rheological experiments, we created a thixotropic and shear-thinning suspension using two thickeners in combination, Welan and Attagel. This suspension can be efficiently injected into 150 and 800 µm wide cracks without post-injection drainage. Adding thickeners does not alter bacterial growth, and increases CaCO3 bioproduction. Biocicatrisation tests revealed that the use of a thickened suspension contributes to sealing of cracks as it dries to form a solid film inside the cracks, and embed the bacteria so they could precipitate significant amounts of CaCO3 despite the constraints of in situ conditions. At the end of the bio-healing treatment, the strain B. pseudofirmus has been proven to precipitate CaCO3 through SEM observations. The experiments which have been performed during this PhD led to the creation of a bio-healing method which holds a true potential for commercial use, as it is particularly easy to use and combines biotic and abiotic sealing of the cracks.