Les macroalgues hébergent de nombreux micro-organismes, collectivement désignés sous le terme de microbiote algal, qui ont un rôle essentiel dans le développement et l’état de santé de leur hôte. Dans ce travail, nous avons exploré le microbiote fongique et bactérien d’algues brunes, ainsi que l’impact des interactions bactérie-champignon sur la médiation chimique et, en particulier, sur le quorum sensing bactérien. Par des approches de metabarcoding ciblant l’ADNr 16S et l’ITS2, nous avons montré que les communautés fongiques et bactériennes associées à la macroalgue brune Saccharina latissima étaient très riches, principalement composées de quelques OTUs dominants, et d’une grande abondance d’OTUs « rares ». De manière intéressante, les communautés fongiques comme bactériennes différaient de celles de l’eau de mer environnante et paraissaient spécifiques des tissus algaux. Cependant, de grandes variations intra et interindividuelles de composition ont été observées au sein des échantillons de tissus d’algue. Ainsi, ce qui définit la spécificité des communautés microbiennes reste à préciser. En parallèle, nous avons exploré la médiation chimique au sein de l’endomicrobiote de quatre algues brunes : Saccharina latissima, Laminaria digitata, Pelvetia canaliculata et Ascophylum nodosum, et révélé que de nombreux endophytes fongiques et bactériens isolés synthétisaient des métabolites interférant avec les systèmes de quorum sensing bactériens, en les induisant ou les inhibant. De plus, les bioessais basés sur les biosenseurs, couplés à une approche métabolomique, effectués sur les co-cultures, ont mis en évidence en quoi les interactions bactéries-champignons au sein de l’endomicrobiote d’algues brunes pouvaient affecter la production de médiateurs chimiques, et notamment de molécules interférant avec le quorum sensing bactérien. Ensemble, ces résultats suggèrent que le quorum sensing pourrait jouer un rôle clé dans le réseau complexe d’interactions au sein du microbiote algal, et ainsi dans l’équilibre hôte-microbiote. / Macroalgae host various microorganisms, collectively referred as the algal microbiota, which play an essential role in the development and health status of their host. In this work, we explored the bacterial and fungal microbiota of brown algae, as well as the impact of bacterial fungal interactions on the chemical mediation and, in particular, on the bacterial quorum sensing. Using 16S rDNA-based and ITS2-based metabarcoding approaches we showed that the fungal and bacterial communities associated with the brown macroalgae Saccharina latissima were very rich, mainly composed of few dominant OTUs, and a large abundance of “rare” OTUs. Interestingly, both fungal and bacterial communities differed from the ones of the surrounding seawater and appeared specific to the algal tissues. However, high intra and interindividual variations of composition were observed among the algal tissue samples. Thus what define the specificity of the microbial communities remains to be clarified. In parallel, we explored the chemical mediation within the cultivable endomicrobiota of four brown algae: Saccharina latissima, Laminaria digitata, Pelvetia canaliculata and Ascophylum nodosum, and pointed out that many of the isolated bacterial and fungal endophytes could synthetize metabolites interfering with bacterial quorum sensing systems, either inducing or inhibiting them. Additionally, biosensor-based bioassays coupled with metabolomics approaches performed on co-culture experiments, highlighted how bacterial-fungal interactions within the endomicrobiota of brown algae could affect the production of chemical mediators, including those interfering with bacterial quorum sensing. Altogether, the results suggest that the quorum sensing could play a key role in the complex network of interactions within the algal microbiota, and thus in the host-microbiota equilibrium.

En Europe, le bois est la première source d’énergie renouvelable. La transition énergétique se traduit par une intensification de l’exploitation des forêts. L’effet de ces pratiques sylvicoles sur les communautés microbiennes du sol est encore peu étudié. Au cours de ma thèse, j’ai évalué les conséquences d’une manipulation artificielle de matière organique en forêt tempérée sur la diversité fonctionnelle et taxonomique des communautés bactériennes et fongiques telluriques dans six sites expérimentaux (réseau expérimental MOS). Parallèlement, une caractérisation fonctionnelle des communautés microbiennes a également été réalisée dans un contexte proche des réalités de l’intensification des pratiques sylvicoles sous climat tropical en plantation d’Eucalyptus. Si certains descripteurs fonctionnels de la dégradation de la matière organique sont particulièrement informatifs, les activités microbiennes de dégradation de la chitine, polymère azoté des arthropodes et champignons, sont apparues très sensibles au retrait de matière organique. C’est pourquoi, par des approches de génomiques comparatives, nous avons cherché à estimer le potentiel chitinolytique des différentes guildes fongiques des sols. En conditions contrôlées, nous avons ensuite quantifié les capacités potentielles de mobilisation et de transfert du carbone et de l’azote, à partir d’une matière organique microbienne riche en chitine, par un champignon ectomycorhizien en symbiose avec son hôte. Enfin, la généricité des fonctions chitinolytiques d’un plus large spectre d’espèces fongiques ectomycorhiziennes a été évaluée par le couplage d’approches enzymatiques et isotopiques. L’ensemble de nos résultats met en lumière le rôle significatif des champignons ectomycorhiziens dans la mobilisation du carbone et de l’azote à partir de certaines formes de matière organique, et la nécessité de prendre en compte le compartiment microbien dans les études d’impact des pratiques sylvicoles / One of the main usages of wood in Europe is renewable energy supply that implies intensification of forest management to respond to this increasing demand. However, the impact of intense forestry practices on soil microbial communities remains poorly investigated. In the frame of my PhD thesis, I evaluated effects of artificial organic matter removal on functional and taxonomical diversity of soil bacterial and fungal communities in temperate forest, using six experimental sites across France (INRA MOS experimental network). In parallel, I also characterised impact of intensified forest management practices on functional microbial communities in tropical plantation of Eucalyptus trees. This work permitted to identify several sensitive functional indicators of organic matter degradation. Notably, the degradation of chitin – a nitrogen polymer main component of arthropods and fungal cell walls – was revealed to be particularly sensitive to organic matter removal. Genomics and enzymatic approaches were then used to estimate chitinolytic potentials of the different genera of soil fungi. In controlled conditions, we were able to quantify ectomycorrhizal fungus carbon and nitrogen mobilisation and transfer capacities from chitin enriched organic matter to its host during symbiotic interaction. Finally, we evaluated chitinolytic functions of ectomycorrhizal fungi at large scale by combining enzymatic and isotopic approaches. Taken together, the results acquired in the frame of my PhD thesis, illustrate the significant role of ectomycorrhizal fungi in carbon and nitrogen mobilisation from organic matter. We particularly highlight that microbial compartment in soil must be considered in studies of forest management practices

La présence de matière biologique (biofilms) dans les sites de stockage géologique profond, d'éléments toxiques ou encore de l'eau potable des aquifères est maintenant clairement démontrée. Cette biomasse est à l'origine de processus physiques et chimiques qui modifient considérablement la durabilité et la pérennité des sites concernés. Ces processus, principalement de type oxydo-réductif, sont encore mal compris. Ceci est principalement dû aux méthodes d'investigation, principalement macroscopiques, loin de l'échelle micrométrique caractéristique des bactéries. Seules des études, basées sur des méthodes d'investigation locale, peuvent apporter les informations requises. Ainsi, nous avons développé un dispositif expérimental basé sur l'utilisation combinée de la microscopie optique (en transmission), la microscopie à force atomique (AFM) et la microscopie AFM en mode électrique et électrochimique (EC_AFM) afin d'obtenir des informations simultanées sur la topographie de l'échantillon et sur les processus électrochimiques à l'échelle des bactéries. La première étape sensible consistait à utiliser l'AFM sur des échantillons biologiques en milieu liquide: nous présentons ici les résultats de l'imagerie AFM en milieu liquide de plusieurs types de bactéries dans leurs conditions physiologiques naturelles (conditions in vivo). Aucun protocole d'immobilisation, ni chimique ni mécanique, n'a été nécessaire; et pour la première fois, les mouvements de reptation de cyanobactéries Nostoc ont été étudiés par l'AFM. Les études AFM ont permis d'acquérir des données topographiques mais aussi mécaniques : nous avons pu ainsi mesurer le module d'Young, la pression de turgescence de différentes souches bactériennes (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Cette étude complète, a révélé que l'imagerie AFM est donc possible sur des espèces vivantes en mouvement. Ces résultats ouvrent une grande fenêtre sur de nouvelles études d'intérêts tels que la formation de biofilms et les propriétés dynamiques de bactéries dans des conditions physiologiques réelles. La deuxième étape délicate était de combiner l'AFM aux mesures optiques et électriques. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental permettant (i) le suivi de l'évolution de la croissance bactérienne par la mesure des propriétés optiques comme la densité optique DO (pour le développement bactérien en volume – milieu planctonique) , ou l'analyse de l'image du substrat par comptage du nombre de bactéries sur la surface de l'échantillon (biofilm), et (ii) les mesures électriques et électrochimiques. L'ensemble de ces résultats sera prochainement appliqué au développement de nouveaux outils de surveillance d'une biodépollution de terrain contaminé par les hydrocarbures, par le suivi in situ et en temps réel de l'activité de bactéries dépolluantes (ECOTECH_BIOPHY ANR). / The presence of biological matter (biofilms) in deep geological sites for storage of, for instance, toxic elements or groundwater in aquifers was clearly proved. That biomass triggers physical and chemical processes which greatly modify the durability and the sustainability of the sites. These processes, mainly from oxidative/reductive reactions, are poorly understood. This is mainly due to the fact that former studies were done at the macroscopic level far away from the micrometric scale where relevant processes induced by bacteria take place. Investigations at microscopic level are needed. Thus, we developed an experimental set-up based on the combined use of optical microscopy (transmission), atomic force microscopy (AFM) and electrical and electro-chemical AFM microscopy (EC_AFM) in order to get simultaneous information on topographic and electro-chemical processes.The first highly sensitive step was to use AFM with biological samples in liquid environment: we present here a study about AFM imaging of living, moving or self-immobilized bacteria, in their genuine physiological liquid medium and in true in vivo conditions. No external immobilization protocol, neither chemical nor mechanical was needed. For the first time, the native gliding movements of Gram negative Nostoc cyanobacteria upon the surface were studied by AFM. AFM height and mechanical stiffness data were simultaneously acquired. From these, mechanical parameters, inner turgor pressure and Young modulus, were derived for different bacterial species (Anabaenopsis circularis, Rhodococcus wratislaviensis). Our study revealed that AFM imaging is thus possible on moving living species. These results open a large window on new studies of both dynamical phenomena of practical and fundamental interests such as the formation of biofilms and dynamic properties of bacteria in real physiological conditions.The second delicate step was to combine AFM and optical measurements with electrical ones. We mounted a new experimental set-up coupling real-time (i) monitoring of optical properties as the optical density (OD) evolution related to bulk bacterial growth in liquid or as the counting of number of bacteria adhering on the surface of the sample as well and (ii) electrical and electrochemical measurements. Furthermore, these results will shortly be applied to the optimized monitoring of the in-situ activity of bacteria consuming oil pollutants, following this way, in real-time, the bioremediation of an oil-contaminated soil (ANR ECOTECH_BIOPHY program).

L’utilisation de bactéries lactiques (BL), telle que Lactococcus lactis (LL), comme vecteur de transfert d’ADN, constitue une stratégie prometteuse dans la mesure où elles sont considérées sans risque pour la santé. Des souches sauvages (wt) ou recombinantes de LL ont été décrites comme capables de transférer un plasmide dans des cellules épithéliales in vitro et in vivo. Cependant, les mécanismes d'action grâce auxquels certaines souches de LL ont la capacité de transférer de l’ADN plasmidique sont toujours inconnus. C’est pourquoi, nous avons décidé de construire une nouvelle souche recombinante de LL exprimant l’internaline mutée (mlnlA,) à partir de la souche pathogène Listeria monocytogenes, de manière à comprendre par quel procédé l’ADN est transféré à des cellules eucaryotes. Nous avons détecté l’expression de mInIA par FACS et montré que la souche LLmInIA était plus invasive que la souche sauvage wt après co-incubation avec des cellules épithéliales intestinales (IECs) non confluentes ou polarisées. La microscopie confocale confirme ces propriétés d’invasivité de la souche LL-mLnLA capable de transférer plus efficacement le vecteur d’expression eucaryote codant pour l’allergène de la β-lactoglobuline, pValac :BLG, in vitro dans des IECs et dans des cellules dendritiques (DCs). La souche LL-mInIA a aussi la capacité de transférer le vecteur pValac:BLG à des DCs à travers une monocouche de IECs différenciées. Des essais in vivo montrent que des bactéries invasives du genre Lactococcus ont tendance à augmenter l’expression de BLG chez la souris. De plus, il est montré qu’une souche non invasive de LL, ou la souche invasive LL-mInIA, stimulent la sécrétion de la cytokine pro-inflammatoire IL-12 dans des DCs, et que, in vivo, après des essais d’immunisation oraux ou intra nasaux, la souche LL non invasive oriente la réponse immunitaire plutôt vers le type 1, alors que la souche LL invasive génère une réponse de type 2 chez des animaux immunisés. Tous ces résultats apportent un nouvel éclairage sur le mécanisme d’assimilation des lactocoques en tant que vecteurs de transfert de molécules actives. / The use of Lactic Acid Bacteria (LAB), such as Lactococcus lactis (LL), as DNA delivery vehicles represents an interesting strategy as they are regarded as safe. Wild type (wt) LL or recombinant invasive LL, were able to trigger DNA expression by epithelial cells both in vitro and in vivo. However, important information about how LL can transfer DNA plasmids is still missing. Therefore, we decided to construct a new recombinant invasive LL strain expressing mutated Internalin A (mInlA) from the pathogen Listeria monocytogenes to understand the manner by which the DNA is transferred to mammalian cells. mInlA expression was detected by FACS analysis and LL-mInlA strain showed to be more invasive than the wt strain after co-incubation assays with non-confluent or polarized intestinal epithelial cells (IECs). Confocal microscopy confirmed the invasive status of LL-mInlA which demonstrated to deliver more efficiently the eukaryotic expression vector coding the allergen β-lactoglobulin, pValac:BLG, in vitro to IECs and to dendritic cells (DCs). LL-mInlA was also capable to transfer pValac:BLG to DCs across a monolayer of differentiated IECs. In vivo, invasive lactococci tended to increase the number of mice expressing BLG. Moreover, noninvasive or invasive LL-mInlA stimulated the secretion of the pro-inflammatory cytokine IL-12 in DCs and, in vivo, after oral or intranasal immunization trials, non-invasive LL polarized the immune response more in the type 1 direction while invasive LL generated a Th2-type response in immunized animals. All these data gives new insights on the mechanism of lactococci uptake for delivery of therapeutics.

Les activités sidérurgiques du siècle dernier ont laissé derrière elles des sols de friches multi-contaminés. Cette multi-pollution a dû conduire à une adaptation des communautés microbiennes, pouvant impacter leurs diversités et in fine le fonctionnement des sols. Dans ce contexte, les objectifs de mes travaux de thèse étaient : i) d’étudier la diversité taxonomique des communautés microbiennes mais aussi leur diversité fonctionnelle en lien avec le cycle du carbone, ii) d’identifier les éventuels liens qui unissent ces deux diversités et iii) de comprendre comment les caractéristiques des sols et leur pollution pouvaient modifier ces liens. Une collection de sols présentant un gradient de pollution par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et des éléments traces métalliques (ETM) a été étudiée. La diversité taxonomique des communautés bactériennes et fongiques a été obtenue par séquençage Illumina MiSeq et la diversité fonctionnelle métabolique a été estimée à l’aide des outils Biolog® et MicroResp™. La dégradation de deux substrats carbonés modèles, le phénanthrène (PHE) et la cellulose (CEL) marqués au 13C, a également été analysée par la technique de Stable Isotope Probing, qui en identifiant les microorganismes impliqués dans la dégradation de ces composés, permet de lier la diversité taxonomique à une fonction. Globalement, en sélectionnant les microorganismes, le niveau de contamination a modulé positivement ou négativement l’abondance relative de différents taxons bactériens et fongiques. Contrairement aux HAP, les ETM ont induit une diminution de la diversité fonctionnelle métabolique, mais aussi une tolérance accrue au zinc. Le potentiel fonctionnel de dégradation des HAP était positivement corrélé à la teneur en HAP des sols alors que les fonctions de dégradation du PHE et de la CEL étaient présentes dans tous les sols, quel que soit leur niveau de contamination. Les taux de dégradation de ces composés étaient positivement corrélés à l’abondance et la richesse microbienne, mais sans lien avec la pollution des sols. En outre, le taux de dégradation du PHE était expliqué par les abondances relatives des genres Massilia et Mycobacterium identifiés parmi les bactéries dégradantes. En conclusion, nous avons observé une diminution de l’intensité de dégradation de plusieurs composés carbonés, voire la disparition totale de la fonction, suggérant un possible dysfonctionnement du cycle du carbone dans certains des sols les plus pollués / The iron and steel activities of the last century have left behind multi-contaminated brownfields. This multi-pollution must have led to an adaptation of microbial communities, potentially impacting their diversities and ultimately the soil functioning. In this context, the objectives of my PhD thesis were: i) to study the taxonomic diversity of microbial communities, but also their functional diversity in relation to the carbon cycle, ii) to identify the possible relationships between these two diversities and (iii) to understand the impact of soil characteristics and pollution on communities. In this way, a collection of ten multi-contaminated soils, with both polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and metallic trace elements (MTE) gradients, was studied. The bacterial and fungal taxonomic diversities were obtained using Illumina MiSeq sequencing and the metabolic functional diversity was estimated through Biolog® and MicroResp™ assays. The degradation of two model carbon substrates, namely 13C-labeled phenanthrene (PHE) and 13C-labeled cellulose (CEL), was also analyzed using Stable Isotope Probing technique, which, by identifying the microorganisms involved in the substrate degradation, allows to link function with taxonomic diversity. Overall, by selecting microorganisms, the contamination level positively and negatively modulated the relative abundance of different bacterial and fungal taxa. Unlike PAH, MTE induced a decrease of metabolic functional diversity, but also a greater zinc tolerance. The functional potential of PAH degradation was positively correlated with the PAH concentration in soils, while the PHE and CEL degradation functions were present in all soils, irrespective of their contamination level. Degradation rates of these compounds were positively correlated with microbial abundance and richness, but not linked to soil pollution. In addition, the PHE degradation rate was explained by the relative abundances of the Massilia and Mycobacterium genera, identified among the active PHE-degrading bacteria. In conclusion, we observed a decrease in the degradation intensity of several carbon compounds, or even the total disappearance of various functions, suggesting a potential dysfunction of carbon cycle in some of the most polluted soils

En raison de leur capacité à former une symbiose avec des bactéries du sol appelées Rhizobium, ces bactéries fixent l’azote atmosphérique et leurs plantes-hôtes n’ont donc pas besoin de fertilisant azoté, les légumineuses jouent un rôle important dans l'agriculture. En outre, certaines souches de Rhizobium ont la capacité de solubiliser le phosphate, fournissant ainsi du phosphore assimilable aux plantes hôtes. Une aptitude à lutter contre certains agents pathogènes a aussi été démontrée dans plusieurs études. La présente étude évalue l’efficacité symbiotique de rhizobiums tunisiens, leur capacité à solubiliser le phosphate, et leur aptitude à lutter contre la verticilliose ainsi que d’autres champignons pathogènes chez Medicago truncatula. Trente-six isolats de rhizobiums prélevés sur des nodules racinaires de M. truncatula provenant de différentes régions de Tunisie ont été obtenus pour ce travail. Environ 60% de ces isolats étaient capables de solubiliser le phosphate in vitro. Dans une seconde étape, trois rhizobiums solubilisant le phosphate et un isolat incapable de solubiliser le phosphate in vitro ont été utilisés pour des essais en phytotron afin de voir l’effet de la présence des rhizobiums sur les paramètres de croissance des plantes en présence de phosphate inorganique sous forme de CaHPO4 et rocheux sous forme brute. Les résultats de l’essai montrent que les plantes de la lignée A17 traitées au CaHPO4, ont tendance à produire plus de nodules et de biomasse aérienne que la lignée F83005.5 et que la forme du phosphate utilisé, soluble ou non soluble, affecte les paramètres étudiés. L'inoculation de quatre lignées de M. truncatula avec 16 isolats de rhizobium sélectionnés auparavant a montré une interaction significative entre les isolats et les lignées pour la symbiose visible par la formation de nodules. Tous les isolats de rhizobium testés ont augmenté la biomasse aérienne des plantes, réduit la biomasse racinaire et entraîné une teneur plus élevée en azote mais l’effet dépendait de l’isolat de rhizobium et de la lignée de M. truncatula utilisés. Enfin, ces isolats ont été testés pour leur capacité à protéger des plantes de M. truncatula contre une maladie racinaire, la verticilliose. Des activités antagonistes in vitro contre divers champignons pathogènes dont Verticillium et Fusarium ont également été recherchées permettant d’identifier un isolat efficace pour la lutte biologique. Les résultats de cette étude suggèrent que des isolats de rhizobium sélectionnés pourraient être utilisés comme biofertilisants dans les sols pauvres pour réduire l'utilisation d'engrais chimiques azotés et phosphorés mais pas pour lutter contre la verticilliose. / Because of their ability to form a symbiosis with soil bacteria called Rhizobium, legumes play an important role in agriculture. These bacteria fix atmospheric nitrogen; hence their host plants do not need nitrogen fertilizers. In addition, some strains of Rhizobium have the ability to solubilize phosphate, thus providing phosphorus to host plants. An ability to control certain pathogens has also been demonstrated in several studies. The present study evaluates the symbiotic efficiency of Tunisian rhizobia, their ability to solubilize phosphate, and their ability to control Verticillium wilt and other pathogenic fungi in Medicago truncatula. Thirty-six rhizobial isolates were obtained from root nodules of M. truncatula from different parts of Tunisia were used in this work. About 60% of these isolates were able to solubilize phosphate in vitro. In a second step, three phosphate solubilizing rhizobia and one isolate unable to solubilize phosphate in vitro were used for phytotron assays to see the effect of the presence of rhizobia on plant growth parameters in the presence of soluble and insoluble forms of phosphate. The results of the experiment show that A17 plants treated with CaHPO4, tend to produce more nodules and shoot biomass than F83005.5 and that the phosphate form used, soluble or non-soluble, affects parameters studied. Inoculation of four M. truncatula lines with 16 previously selected rhizobial isolates showed significant interaction between isolates and lines for symbiotic abilities as visualised by nodule formation. All rhizobial isolates tested increased above-ground biomass, reduced root biomass, and increased nitrogen content with strains effects of plant genotype and bacterial isolate. Finallly, these isolates were tested for their ability to protect M. truncatula plants against Verticillium wilt, and to inhibit the growth of pathogenic fungi such as Verticillium and Fusarium in vitro. However, no isolate could be identified as effective for biological control. The results of this study suggest that selected rhizobial isolates could be used as biofertilizers in poor soils to reduce the use of nitrogen and phosphorus fertilizers but not to control Verticillium wilt.

La première partie de ma thèse est consacrée à l’étude de l’auto-organisation de souches génétiquement modifiées de bactéries Escherichia coli. Ce projet, réalisé en collaboration avec des biologistes synthétiques de l’Université de Hong Kong, a pour objectif l’exploration et le décryptage d’un nouveau mécanisme d’auto-organisation dans des colonies bactériennes multi-espèces. Cela a été inspiré par la question fascinante de comment les écosystèmes bactériens comprenant plusieurs espèces de bactéries peuvent s’auto-organiser dans l’espace. En considérant des systèmes dans lesquels deux souches de bactéries régulent mutuellement leurs motilités, j’ai pu montrer que le contrôle de densité réciproque est une voie générique de formation de motifs: si deux souches tendent à faire augmenter mutuellement leur motilité (la souche A se déplace plus vite quand la souche B est présent, et vice versa), ils subissent un processus de formation de motifs conduisant à la démixtion entre les deux souches. Inversement, l’inhibition mutuelle de la motilité conduit à la formation de motifs avec colocalisation. Ces résultats ont étévalidés expérimentalement par nos collaborateurs biologistes. Par la suite, j’ai étendu mon étude à des systèmes composés de plus de deux espèces en interaction, trouvant des règles simples permettant de prédire l’auto-organisation spatiale d’un nombre arbitraire d’espèces dont la motilité est sous contrôle mutuel. Cette partie de ma thèse ouvre une nouvelle voie pour comprendre l’auto-organisation des colonies bactériennes avec des souches concurrentes, ce qui est une question importante pour comprendre la dynamique des biofilms ou des écosystèmes bactériens dans les sols. Le deuxième problème traité dans ma thèse est inspiré par le comportement collectif des moteurs moléculaires se déplaçant le long des microtubules dans le cytoplasme des cellules eucaryotes. Un modèle pertinent pour le mouvement des moteurs moléculaires est donné par un système paradigmatique de non-équilibre appelé Processus Asymmetrique d’Exclusion Simple, en anglais Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP). Dans ce modèle sur réseau unidimensionnel, les particules se déplacent dans les sites voisins vides à des taux constants, avec un biais gauche-droite qui déséquilibre le système.Lorsqu’il est connecté à ses extrémités à des réservoirs de particules, l’ASEP est un exemple prototypique de transitions de phase unidimensionnelles guidées par les conditions aux limites. Les exemples réalistes, cependant, impliquent rarement une seule voie:les microtubules sont constitués de plusieurs pistes de tubuline auxquelles les moteurs peuvent s’attacher. Dans ma thèse, j’explique comment on peut théoriquement prédire le comportement de phase de systèmes à plusieurs voies complexes, dans lesquels les particules peuvent également sauter entre des voies parallèles. En particulier, je montre que la transition de phase unidimensionnelle vue dans l’ASEP survit cette complexité supplémentaire mais implique de nouvelles caractéristiques telles que des courants transversaux stables non-nulles et une localisation de cisaillement. / The first part of my thesis is devoted to studying the self-organization of engineered strains of run-and-tumble bacteria Escherichia coli. This project, carried out in collaboration with synthetic biologists at Hong Kong University, has as its objective the exploration and decipherment of a novel self-organization mechanism in multi-species bacterial colonies. This was inspired by the fascinating question of how bacterial ecosystems comprising several species of bacteria can self-organize in space. By considering systems in which two strains of bacteria mutually regulate their motilities, I was able to show that reciprocal density control is a generic pattern-formation pathway: if two strains tend tomutually enhance their motility (strain A moves faster when strain B is present, and conversely),they undergo a pattern formation process leading to demixing between the two strains. Conversely, mutual inhibition of motility leads to pattern formation with colocalization. These results were validated experimentally by our biologist collaborators. Subsequently, I extended my study to systems composed of more than two interacting species, finding simple rules that can predict the spatial self-organization of an arbitrary number of species whose motility is under mutual control. This part of my thesis opens up a new route to understand the self-organization of bacterial colonies with competing strains, which is an important question to understand the dynamics of biofilms or bacterial ecosystems in soils.The second problem treated in my thesis is inspired by the collective behaviour ofmolecular motorsmoving along microtubules in the cytoplasm of eukaryotic cells. A relevant model for the molecularmotors’ motion is given by a paradigmatic non-equilibrium system called Asymmetric Simple Exclusion Process (ASEP). In this one-dimensional lattice- based model, particles hop on empty neighboring sites at constant rates, with a leftright bias that drives the systemout of equilibrium. When connected at its ends to particle reservoirs, the ASEP is a prototypical example of one-dimensional boundary driven phase transitions. Realistic examples, however, seldom involve only one lane: microtubules are made of several tubulin tracks to which the motors can attach. In my thesis, I explained how one can theoretically predict the phase behaviour of complex multilane systems, in which particles can also hop between parallel lanes. In particular, I showed that the onedimensional phase transition seen in the ASEP survives this additional complexity but involves new features such as non-zero steady transverse currents and shear localization.

La formation de biofilms bactériens pathogènes est un problème important, particulièrement dans les secteurs médicaux et agro-alimentaires. La formation contrôlée de biofilms de la bactérie probiotique Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) est sélectionnée ici comme méthode potentielle pour prévenir la contamination de surfaces par des bactéries pathogènes. Nous avons étudié le développement de biofilms de LGG ainsi que leur possible contrôle en combinant des approches physico-chimiques et de fonctionnalisation de surface. L’impact des conditions environnementales sur la cinétique de croissance des biofilms et sur leur composition biochimique a été analysé par des mesures in situ et en temps réel par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier en réflexion totale atténuée (ATR-FTIR) sous conditions de flux. Ces données ont été complétées par des images de microscopie en épifluorescence permettant d’obtenir des informations sur la distribution et la forme des cellules bactériennes sur la surface à des étapes clé du développement du biofilm. Compatible avec les mesures ATR-FTIR, un cristal de séléniure de zinc a été choisi comme substrat, nu ou fonctionnalisé avec des monocouches auto-assemblées d’alcane-thiols (SAMs). Différents groupes fonctionnels ont été étudiés : méthyl (-CH3), hydroxyle (-OH) ou amine (-NH2) pour obtenir respectivement des substrats hydrophobe, hydrophile ou chargé positivement. La cinétique d’auto-assemblage des SAMs, leur organisation et l’énergie de surface ont été étudiées en combinant ATR-FTIR, spectroscopie de rétrodiffusion de Rutherford à hautes énergies et mesures d’angles de contact. L’analyse des spectres ATR-FTIR des biofilms de LGG enregistrés in situ et en temps réel pendant 24 heures a montré un rôle important du milieu nutritif sur la composition biochimique et le métabolisme bactériens. Les propriétés du substrat ont un impact faible sur la composition biochimique des biofilms, mais ont un rôle crucial sur leur force d’attachement à la surface. Ce travail pluridisciplinaire a fourni des informations sur l’influence de l’environnement, et particulièrement des caractéristiques du support, sur les propriétés des biofilms aux échelles moléculaire et cellulaire. La méthodologie développée dans ce travail peut notamment être utilisée dans la recherche des conditions les plus favorables à la croissance des biofilms de bactéries probiotiques. / Biofilm formation by pathogenic bacteria brings concerns, particularly in food and medical sectors, and is associated with high sanitary risks and economic losses. Biofilms of probiotic bacteria can potentially be used to prevent the surface contamination by pathogenic species. This work was focused on the investigation of the development of biofilms of probiotic Lactobacillus rhamnosus GG (LGG) and the possible control of their formation by combining surface functionalisation and physico-chemical approaches. The effect of different environmental conditions on the kinetics of the biofilm growth and on its biochemical composition was analysed by in situ and real time measurements with infrared spectroscopy in attenuated total reflection mode (ATR-FTIR) under flow conditions. These data were complemented by epifluorescence images providing information on the surface distribution and the shape of the bacterial cells at specific stages of the biofilm development. Compatible with ATR-FTIR measurements, a zinc selenide (ZnSe) crystal was chosen as a substrate, bare or functionalised with self-assembled monolayers (SAMs). SAMs were formed from alkanethiols terminated by methyl (-CH3), hydroxyl (-OH) or amine (-NH2) groups to obtain hydrophobic, hydrophilic and positively charged substrates, respectively. The kinetics of self-assembly of the alkanethiols onto ZnSe, the organisation of the molecules, their areal density and the surface energy of thus obtained surfaces were studied preliminarily to the biofilm cultivation by means of ATR-FTIR spectroscopy, high energy Rutherford backscattering spectrometry, and contact angle measurements. The analysis of the ATR-FTIR spectra of LGG biofilms recorded in situ and in real time during 24 hours revealed an important role of the nutritive medium in the biosynthesis of nucleic acids, phospholipids, polysaccharides and lactic acid. Substrate properties had low impact on the biochemical composition of LGG biofilms, but had a critical role in the strength of attachment of cultivated biofilms. The findings of this multidisciplinary work provide a fundamental understanding of how the direct environment, including a support surface, influences the properties of bacterial biofilms at the molecular and cellular scales, based on which favourable conditions for the enhancement of probiotic biofilm growth and its mechanical stability can be chosen.

Les produits laitiers fermentés tels que les yaourts, les laits fermentés et les fromages frais, occupent une place importante dans l’économie française. La stabilité de ces produits et leurs chances d’exportation sont cependant limitées par de fréquentes altérations fongiques. De plus, l’augmentation des résistances de certains champignons aux conservateurs chimiques ainsi que la forte demande des consommateurs pour des produits dépourvus d’additifs poussent les industriels à en réduire l’ajout. Dans ce contexte, il est nécessaire de développer des alternatives innovantes, telle que la bio-conservation. Les bactéries lactiques, utilisées depuis des millénaires dans la fermentation de nombreux aliments, et généralement reconnues comme inoffensives pour la santé, sont potentiellement de bonnes candidates pour la bio-conservation. Dans le but d’obtenir une ou deux souches de bactéries lactiques antifongiques, capables d’être compétitives au sein de produits laitiers fermentés tels que le yaourt, une collection de bactéries lactiques antifongiques a d’abord été constituée. Pour cela, un criblage de colonies isolées de laits crus de vache, de chèvre et de brebis a été effectué sur une période d’une année. Ce criblage, ciblé contre 4 champignons communément retrouvés dans les produits laitiers contaminés, a abouti à l’isolement de 1235 colonies de bactéries lactiques antifongiques. Ceci a permis d’évaluer la biodiversité des bactéries lactiques antifongiques d’une part, et celle des champignons, d’autre part, dans ces échantillons de lait, afin d’observer une éventuelle corrélation entre la présence de champignons et l’expression des activités antifongiques. L’influence de l’origine du lait, de la période d’échantillonnage, du milieu d’isolement et du champignon ciblé, sur le pourcentage de colonies actives isolées a été mise en évidence. Parmi les champignons ciblés, Pénicillium expansum était le plus facilement inhibé, et la majorité des colonies ont été isolées durant la troisième période d’échantillonnage, majoritairement sur les milieux à base de MRS. Les laits de vache et de chèvre se sont révélés être des réservoirs de bactéries lactiques antifongiques, contrairement aux laits de brebis. La majorité des bactéries lactiques antifongiques isolées et identifiées appartenait au genre Lactobacillus, majoritairement du groupe Lb. casei. Onze isolats, dont 10 appartenant au groupe Lb. casei, ont été sélectionnés selon l’intensité de leur activité antifongique et leur spectre d’action sur milieu MRS. Certaines de leurs propriétés technologiques ont été caractérisées, en vue de leur utilisation comme cultures protectrices dans des produits laitiers fermentés. Leur activité antifongique a également été testée dans le lait et dans le yaourt, contre 6 contaminants fongiques communément responsables d’altérations dans les yaourts. Une souche, Lb. harbinensis K.V9.3.1Np, a révélé de fortes activités antifongiques dans le yaourt contre 6 cibles fongiques. Les études complémentaires effectuées ont permis de montrer que la variation de certains paramètres technologiques (présence ou absence de saccharose, temps de fermentation) n’avait pas d’influence sur l’activité antifongique de cette souche. La découverte du potentiel antifongique de Lb. harbinensis K.V9.3.1Np est innovante. Cette espèce, isolée pour la première fois en 2005 d’un produit fermenté végétal, n’avait encore jamais été décrite comme présentant des activités antimicrobiennes. Sa forte activité antifongique dans le yaourt fait de Lb. harbinensis K.V9.3.1Np un bon candidat pour la bioconservation de produit(s) laitier(s) fermenté(s). / Fermented dairy products such as yogurt, fermented milks and fresh cheeses are of great importance in the French economy. The stability of these products and export opportunities are however limited by frequent fungal spoilages. In addition, the increase of fungal resistances to Chemical preservatives and the strong consumer demand for products deprived of Chemical additives are pushing manufacturers to reduce the quantities of added Chemical preservatives in these products. In this context, it is necessary to develop alternatives to classical food preservation methods, such as biopreservation. Lactic acid bacteria (LAB), used for millennia for diverse food fermentations, and generally recognized as safe for human health, can potentially be used for biopreservation. In order to select 1 or 2 LAB strains with antifungal activity capable to compete in fermented dairy products such as yogurt, a collection of antifungal LAB was first created. This was done by screening colonies isolated from cow, goat and ewe raw milk samples over a one-year period. This screening step, targeted against 4 fungi found in contaminated dairy products, resulted in the isolation of 1235 antifungal colonies. The biodiversity of the isolated antifungal LAB was then determined along with that of the fungi found in the different raw milks, in order to observe a possible correlation between the presence of fungi and the expression of antifungal activities. The influence of milk origin, sampling period, isolation medium and targeted fungus on the percentage of isolated active colonies was highlighted and clearly showed that both cow and goat milks were reservoirs of antifungal LAB. Among the targeted fungi, P. expansum was more easily inhibited, and the majority of colonies were isolated during the third sampling period, mainly on MRS-based media. The majority of identified antifungal LAB belonged to the genus Lactobacillus, mainly to the Lb. casei group. Eleven isolates, including 10 belonging to the Lb. casei group, were selected from these lactobacilli, according to their activity level and action spectrum in MRS medium. Some of their technological properties were characterized for their potential use as protective cultures in fermented dairy products and their antifungal activity was tested in milk and yogurt. To do this, 6 fungal contaminants commonly encountered in yogurt spoilage were used. A particular strain, Lb. harbinensis K.V9.3.1Np, showed a strong antifungal activity in yogurt. Additional experiments showed that the variation of technological parameters (presence or absence of sugar, fermentation time) had no influence on the antifungal activity of this strain. This is the first time that an antifungal potential has been observed for Lb. harbinensis, a species isolated for the first time in 2005 from a fermented vegetable product. Because of its effectiveness in yogurt, Lb. harbinensis K.V9.3.1Np is a promising strain for biopreservation of fermented dairy product(s).

Une porosité hiérarchisée au sein de mousses solides permet la combinaison des avantages offerts par différentes échelles de structuration : les macropores offrent un grand volume poreux et une diffusion facilitée des réactifs, tandis que mésopores et micropores permettent confinement et grande surface spécifique. La chimie intégrative, en associant la matière molle et la chimie douce, dispose d’une variété de voies de synthèse pour obtenir de tels matériaux. Nous avons ainsi utilisé des émulsions et des tensioactifs comme empreintes pour la chimie sol-gel afin d’obtenir des mousses de silice présentant une porosité hiérarchisée. Elles ont ensuite été employées comme empreintes dures pour synthétiser des mousses de carbone, utilisées comme électrodes de batteries lithium-soufre présentant de grandes capacités. Nous avons ensuite étudié l’effet sur leurs performances de nanoparticules métalliques. Ces mousses ont également été testées pour le stockage de l’hydrogène, et nous avons montré un cyclage avec LiBH4 en présence de nanoparticules métalliques. Enfin, les mousses de silices ont été étudiées en tant que support pour la croissance bactérienne. En effet, lorsque des bactéries croissent dans un milieu confiné, leur cinétique de croissance et leur concentration finale peuvent être totalement différentes de ce qui est observé dans des cultures classiques, ce qui a un grand intérêt dans des domaines comme la biocatalyse. / Hierarchical porosity in solid foams allows the combination of the advantages offered by the different scales of structuration : macropores allow high porous volume and easy diffusion of reagents, while mesopores and micropores allow confinement and high specific surface areas. Integrative chemistry, associating soft matter and soft chemistry, offers a variety of synthetic pathways to generate such materials. We used emulsions and surfactants to template sol-gel chemistry in order to obtain silica foams bearing hierarchical porosity. These silica foams were employed as hard templates to synthesize carbon foams, used as electrodes in lithium-sulfur batteries bearing high capacities. We then explored the impact on performances of loading them with metallic nanoparticles. We also studied the potential of those carbon foams for hydrogen storage, and we obtained cycling capabilities with LiBH4 after loading them with metallic nanoparticles. Finally, the silica foams were used as a support for bacterial growth. Indeed, when bacteria grow in a confined medium, the kinetics of growth and their final concentration can be totally different than what is observed in classical cultures, which is of high interest for applications such as biocatalysis.