Depuis une dizaine d'année, le rôle des biofilms dans la résistance aux antibiotiques et à la réponse immunitaire a été mis en évidence dans les infections chroniques. Les plaies chroniques possèdent ces mêmes particularités de résistance aux divers traitements. La formation de biofilm dans les plaies induit une protection des bactéries qui participe potentiellement à la chronicité et est responsable de l'inefficacité des soins. Le but de ma thèse est de concevoir un biogel actif contre les biofilms pouvant être présents dans les plaies chroniques.Nous avons développé un gel de gélatine innovant contenant divers agents anti-biofilms et permettant l'éradication des bactéries pathogènes. Ces gels sont des solides mous composés d'une phase liquide emprisonnée dans un réseau de biopolymères. Biocompatibles et biorésorbables, ils présentent des avantages pour une utilisation en tant que biomatériaux pour la santé. Il est possible d'y inclure des molécules qui vont ensuite diffuser vers le milieu extérieur. Pour mieux appréhender cette cinétique de diffusion, nous avons étudié le relargage de molécules modèles de différents poids moléculaires et de différentes charges.La stratégie anti-biofilm adoptée consiste à prévenir la colonisation bactérienne, déstabiliser le biofilm et éradiquer les bactéries pathogènes de la plaie (Diminution de la biomasse d'au moins 5 logarithmes). Pour développer ce système, 3 types de molécules ont été combinées : un antiseptique commercial, utilisé dans le cadre des soins des plaies chroniques, un chélateur d'ions actifs contre les MMPs surexprimées dans les plaies et une protéase capable de dégrader la matrice du biofilm. Cette étude a été réalisée sur des biofilms mono-espèce de P. aeruginosa et S. aureus, bactéries pathogènes fréquemment retrouvées dans les plaies chroniques. La combinaison des principes actifs a été testée en solution, en contact direct avec le biofilm. Puis, les agents ont été encapsulés dans un biogel. Nous avons étudié à la fois les propriétés viscoélastiques de ces gels mais aussi leur efficacité contre un biofilm, comparé au traitement non encapsulé. Lors de ce travail, nous avons élaboré un gel manipulable capable d'éradiquer un biofilm mono espèce ou multi espèces, constitué de souches de laboratoire ou de souches cliniques issues de plaie chronique. / Over the past 10 years, researchers have highlighted the role of biofilms on resistance to immune response and antibiotics treatments of chronic infections.Chronic wounds share these characteristics as they are resistant to care treatments. The possible biofilm formation in wound can protect bacteria participating to the chronicity and the resistance to wound care treatment. The aim of this thesis is to conceive a biogel against biofilms in chronic wounds.We have developed an innovative gelatin gel containing various anti-biofilm agents able to eradicate pathogenic bacteria biofilm. This gel is soft matter composed of a liquid phase entrapped in a biopolymer network. It is biocompatible and bioresorbable; these properties are necessary for a biomaterial. The gel has the capacity to deliver molecules with controlled release. We have studied the release of model molecules with different charges and weights.The anti-biofilm strategy consisted in preventing bacterial colonization, disrupting the biofilm and eradicating pathogen bacteria in wound (a decrease biomass of at least 5 log reductions). The system developed consisted in the combination of three different types of molecules: a commercial antiseptic usually applied in chronic wound care, an ion chelator active against MMPs which are over-expressed in chronic wounds and a protease which can disrupt the matrix of the biofilm.The study has been carried out on mono-species biofilms synthesized in vitro, with P. aeruginosa and S. aureus, two pathogenic bacteria frequently encountered in chronic wounds. The combination of the active agents was tested in solution or in directly contact with the biofilm. Then molecules were entrapped in the biogel. The viscoelastic properties of the gel were studied and the efficacy of the entrapped treatment compared to that of the solution. A handeable and efficient biomaterial has been elaborated during this study. It is able to eradicate mono – and multi- species biofilms from both laboratory and clinical bacterial strains.

Dans un contexte mondial d’émergence de bactéries résistantes aux antibiotiques, il est nécessaire d’explorer de nouvelles voies de recherche pour trouver de nouveaux traitements. Cet état de fait est particulièrement marqué dans le cadre d’infections chroniques associées à une colonisation des tissus par des biofilms bactériens. L’endocrinologie microbienne est un champ de recherche axé sur l’étude des mécanismes de communication inter-règnes qui peut s’établir entre des bactéries et leurs hôtes. Les molécules humaines qui permettent ce dialogue constituent de potentiels outils capables de moduler la physiologie des bactéries pour empêcher leur développement. Dans cette optique, l’objectif de ma thèse était d’approfondir nosconnaissances sur l’effet des peptides natriurétiques, une famille d’hormones humaines, sur la physiologie du pathogène opportuniste P. aeruginosa. Les travaux que j’ai menés ont permis de préciser les mécanismes de l’action anti-biofilm du peptide natriurétique de type C ou CNP. J’ai également montré qu’un autre peptide, le peptide natriurétique atrial (ANP), est capable de disperser un biofilm établis de P. aeruginosa. Dans un second temps, j’ai pu identifier que l’opéron ami, dans son intégralité, est indispensable aux effets des peptides natriurétiques et qu’en plus les protéines codées par les gènes de l’opéron ami ont un rôle important dans la régulation de la virulence bactérienne et dans la formation des biofilms. Ainsi, j’ai pu mettre en évidence que les protéines AmiE et AmiR, en plus de leur rôle dans le métabolisme secondaire, sont impliquées dans la régulation de la virulence et de la formation de biofilm de P. aeruginosa. / In a global context of emergence of antibiotic-resistant bacteria, it is necessary to explore new paths of research to find new treatments. This state of affairs is particularly marked in the context of chronic infections associated with tissue colonization by bacterial biofilms. Microbial endocrinology is a field of research focused on the study of inter-kingdom communication that can be established between bacteria and their hosts. The human molecules that allow this dialogue are potential tools capable of modulating bacterial physiology to prevent their development. In this perspective, the aim of my thesis was to deepen our knowledge about the effect of natriuretic peptides, a family of human hormones, on the physiology of the opportunistic pathogen P. aeruginosa. The work that I carried out allowed us to characterize the mechanisms of the anti-biofilm action of the natriuretic peptide type C or CNP. I have also shown that another peptide, the atrial natriuretic peptide (ANP), is able to disperse an established biofilm of P. aeruginosa. In a second step, I was able to identify that the entire ami operon is essential for the effects of the natriuretic peptides and that the proteins encoded by the genes of the ami operon have an important role in bacterial virulence regulation and in the formation of biofilms. Thus, I was able to demonstrate that the AmiE and AmiR proteins, in addition to their role in secondary metabolism, are involved in the regulation of virulence and biofilm formation of P. aeruginosa.

Nous avons cherché dans ce travail à élaborer un biofilm artificiel électroactif dans le but de promouvoir les réactions de transfert extracellulaire d’électrons (EET) en reconstituant artificiellement un biofilm en présence de matériaux exogènes. Un matériau composite auto-assemblé constitué de cellules bactériennes (Shewanella oneidensis), de nanotubes de carbone et de cytochromes c exogènes (issue de cellules de cœur de bœuf) a été tout d’abord proposé. Le processus d’auto-assemblage a été étudié par diffusion de lumière dynamique, microscopie électronique à balayage et spectroscopie Raman. Ces analyses ont mis en évidence l’importance du cytochrome exogène dans l’assemblage et l’organisation du matériau. La viabilité bactérienne a été étudiée et l’activité métabolique a été caractérisée par électrochimie. Les courants à l’anode étaient 10 et 4 fois plus importants avec ce biofilm artificiel (0,027 A m-2) qu’avec les électrodes modifiées par les bactéries seules (0,003 A m-2) ou associées au cytochrome c (0,007 A m-2). Le biofilm artificiel a été testé en substituant S. oneidensis par Pseudomonas fluorescens, produisant un courant d’oxydation lors de l’ajout de 1,5 mM de glucose. Le cytochrome c possède, outre son rôle structurant, une activité de navette à électrons. Son potentiel redox, 254 mV (vs NHE), était adapté à l’oxydation du formiate mais inadapté à la réduction du fumarate. Pour cette raison, il a été substitué par d’autres cytochromes (c3DvH, c7Da, c553DvH, c3DdN ou c3Dg) possédant des potentiels redox plus bas, de 20 mV à -400 mV. Ces cytochromes variaient aussi au niveau de leur charge à pH neutre, permettant de valider l’importance des forces électrostatiques dans l’assemblage du biocomposite. Les résultats optimaux obtenus avec c3DvH et c7Da ont montré l’importance du potentiel redox des éléments exogènes pour l’EET. Nous avons ensuite remplacé le cytochrome c par la protamine. Cette protéine non électroactive a permis l’assemblage du biocomposite tout en maintenant les transferts directs d’électrons entre les bactéries et les différents nanomatériaux testés. Les optimisations ont permis d’atteindre des courants cathodiques de plus de 12 A m-2 en présence de 50 mM de fumarate. Les expériences de stabilité ont montré la présence d’un courant biotique de 1,75 A m-2 après 24 h de réduction de 50 mM de fumarate / The aim of this PhD work was to design an artificial electroactive biofilm in order to optimize extracellular electron transfers (EET) by artificially reconstituting the biofilm in the presence of exogenous materials. A biocomposite material was proposed from the self-assembly of the bacteria Shewanella oneidensis with carbon nanotubes and cytochrome c (extract from bovine heart). The self-assembly was first studied by diffusion light scattering, scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. These analyzes showed the importance of the cytochrome c in the assembly and organization of the biocomposite. Bacterial viability was studied and metabolic activity was characterized with the help of electrochemistry. The current at the anode was 10 and 4 times higher with the artificial biofilm (0.027 A m2) than with film composed with bacteria alone (0.003 A m2) or associated with cytochrome c (0.007 A m2). Artificial biofilm was also tested with Pseudomonas fluorescens instead of S. oneidensis, producing an oxidative current upon the addition of 1.5 mM glucose. That indicates cytochrome c has, in addition to its structuring role, an electron shuttle activity. Its redox potential, +254 mV (vs. NHE), was adapted to the oxidation of formate but was unsuitable for the reduction of fumarate. For this reason, it has been substituted by other cytochromes, c3DvH, c7Da, c553DvH, c3DdN, and c3Dg, possessing lower redox potentials, in the range of 20 mV to -400 mV. These cytochromes also varied at the level of their charge at neutral pH and allowed to validate the importance of the electrostatic forces in the assembly of the biocomposite. The optimal results obtained with c3DvH and c7Da showed the importance of the redox potential of the exogenous elements for the EET. We then replaced the cytochrome c with protamine. This non-electroactive protein allowed the assembly of the biocomposite by promoting direct electrons transfer between the bacteria and the different nanomaterials tested. The optimizations made it possible to reach cathodic currents of more than 12 A m2 in the presence of 50 mM of fumarate. The stability experiments showed the presence of a biotic current of 1.75 A m2 after 24 h of reduction of 50 mM of fumarate

Clostridium difficile est responsable de vingt-cinq pour cent des diarrhées post-antibiotiques et de la majorité des cas de colite pseudomembraneuse. C'est un bacille anaérobie à Gram positif sporulant. La bactérie est recouverte par un réseau cristallin bidimensionnel appelé couche S. Elle est formée par deux sous-unités de haut et bas poids moléculaire issues du clivage du précurseur SlpA par la protéase Cwp84. Ces deux protéines sont codées par des gènes situés dans le locus cwp et sont sécrétées par le système de sécrétion de type SecA2. Elles sont impliquées dans l'adhésion/colonisation du côlon par C. difficile. L'adhésion est une étape commune avec la formation du biofilm par les bactéries. Le biofilm est une communauté bactérienne enchâssée et protégée par une matrice extracellulaire produite par les membres de la communauté. C'est le mode de vie principal des bactéries. Nous avons caractérisé la voie de sécrétion de type SecA2 de C. difficile. La protéine SecA2 (codée également par un gène du locus cwp) est essentielle pour la survie de C. difficile. Elle a une double localisation : le cytoplasme et la membrane intracellulaire. SecA2 de B. anthracis est capable de dimériser avec les protéines SecA1 et SecA2 de C. difficile. De plus, la complémentation du mutant secA2 de B. anthracis par le gène secA2 de C. difficile est fonctionnelle. Le rôle de la couche S, de la protéase Cwp84 et de la mobilité dans le biofilm de C. difficile ont été également étudiés. La souche 630∆erm forme un biofilm fin et fragile tandis que le mutant 630∆ermcwp84::erm forme un biofilm épais et robuste. Nous avons montré que l'activité protéolytique de Cwp84 était impliquée dans la formation du biofilm. De plus, une inhibition de la traduction de l'ARN slpA avec un ARN antisens spécifique permet une augmentation de la taille du biofilm formé par la souche 630∆erm. Similairement, l'expression de l’allèle secA2 muté dominant qui bloque au moins partiellement la voie de sécrétion de type SecA2 augmente la taille du biofilm. Nos résultats suggèrent que la couche S, la protéase Cwp84 et la protéine SecA2 sont impliquées dans la formation du biofilm de C. difficile. Par ailleurs nous avons testé un panel de souches dans leur capacité à former un biofilm. Les résultats montrent que les souches non mobiles ne seraient pas capables de former un biofilm épais. Enfin, nous avons étudié la capacité de C. difficile à se développer en aérobiose au sein d’un biofilm mixte avec Bacillus cereus. Nous avons mis en évidence un recrutement et une multiplication de C. difficile dans la pellicule formée à l'interface air/liquide par B. cereus. Un rapport optimal des spores des deux espèces est requis pour le développement de C. difficile dans ces conditions. La présence de spores de C. difficile dans la pellicule suggère que les biofilms de l'environnement pourraient être des réservoirs de spores de C. difficile, et à l'origine de contaminations humaine et animale. / Clostridium difficile is responsible for twenty-five percent of post-antibiotics diarrhea and for most cases of pseudomembranous colitis. It is an anaerobic, sporulating, Gram-positive bacillus. The bacterium is covered by a two-dimensional lattice called S-layer. It is formed by two subunits of high and low molecular weight after the cleavage of the SlpA precursor by the Cwp84 protease. These two proteins are encoded by genes located in the locus cwp and are secreted by the SecA2 secretion system. They are involved in colonic adhesion/colonization by C. difficile. Adhesion is a common step with biofilm formation by bacteria. The Biofilm is a microbial community embedded in and protected by an extracellular matrix produced by the community members. The biofilm is the main bacterial way of life.We have characterized the SecA2 secretory pathway of C. difficile. The SecA2 protein (as encoded by a gene locus cwp) is essential for the survival of C. difficile. It has a dual location: cytoplasm and intracellular membrane. SecA2 of B. anthracis is able to dimerize with SecA1 and SecA2 proteins of C. difficile. Moreover, the complementation of B. anthracis secA2 mutant with secA2 gene of C. difficile is functional.The role of the S-layer, of the Cwp84 protease and of the motility in the biofilm of C. difficile have also been studied. The 630∆erm strain forms a thin and weak biofilm while the 630∆ermcwp84::erm mutant forms a thick and robust biofilm. We have shown that proteolytic activity of Cwp84 was involved in biofilm formation. Furthermore, a decrease in the translation of slpA RNA with an antisense RNA specific permits an increase in the size of the biofilm of the strain 630∆erm strain. Similarly, the expression of the dominant mutated secA2 allele, which at least partially blocks the SecA2 secretory pathway, increases the biofilm size. Our results suggest that the S-layer, the Cwp84 protease and the SecA2 protein are involved in biofilm formation of C. difficile. On the other hand, we have tested a panel of strains in their capacity to form a biofilm. The results show that non-motile strains are unable to form a thick biofilm.Finally, we have studied the ability of C. difficile to grow aerobically in a mixed biofilm with B. cereus. We highlighted a recruitment and proliferation of C. difficile in the film formed at the air/liquid interface with B. cereus. An optimal ratio of spores of both species is required for the development of C. difficile in these conditions. The presence of C. difficile spores in the film suggests that the environment biofilms could be reservoirs of spores of C. difficile, and the source of human and animal contamination.

Les biofilms en industries agroalimentaires (IAA) représentent un problème récurrent aux conséquences économiques et de sécurité sanitaire. Le développement de surfaces photoactives aux propriétés antibactériennes pourrait faciliter leur élimination. Une solution serait de déposer une couche mince de dioxyde de titane (TiO2) sur des matériaux rencontrés dans les IAA. Les objectifs de cette thèse ont donc été d’optimiser des couches minces de TiO2 aux propriétés antibactériennes et d’étudier les mécanismes impliqués dans la photocatalyse. Les dépôts sont réalisés par pulvérisation cathodique radiofréquence dans différentes conditions (température, PO2, durée), d’abord sur substrat de verre puis sur acier inoxydable 316La caractérisation des couches minces par microscopie à balayage, diffraction des rayons X, a montré des différences dues au changement de substrat. Les différentes optimisations ont conduit à l’obtention de couches minces possédant une activité photocatalytique et des propriétés antibactériennes sur des souches représentatives de la flore retrouvée dans les IAA de la filière « viande » : L. monocytogenes, Y. enterocolitica et P. fragi. Des diminutions de la population bactérienne entre 1,5Log et 3Log ont été observées. La production d’espèces réactives de l’oxygène (H2O2, ¿OH, O2-¿) a été étudiée par des méthodes spectrocolorimétriques. L’H2O2 à la surface de la couche mince serait converti en ¿OH. L’étude des mécanismes de réponse de L. monocytogenes face à la photocatalyse des couches minces a été initiée par une approche transcriptomique, en suivant l’exp / Biofilms in food industries represent a recurrent problem with economic and health safety implications. The development of photoactive surfaces with antibacterial properties could facilitate their elimination. One solution would be to deposit a thin layer of titanium dioxide (TiO2) on conventional materials used in food plants. The objectives of this thesis were the optimization of thin films of TiO2 with antibacterial properties and to study the mechanisms involved in photocatalysis. Deposits were made by radio-frequency sputtering under different conditions (temperature, oxygen partial pressure, duration), first on a glass substrate and then on 316 stainless steel. Characterization of thin layers by scanning microscopy, diffraction of X-ray, showed differences due to substrate changeTiO2 thin layers obtained either on glass or stainless steel showed photocatalytic and antibacterial properties on representative strains of the flora found in the meat industry: Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica and Pseudomonas fragi. Decreases in the bacterial population between 1.5Log and 3Log were observed. The production of reactive oxygen species (ROS) was studied by spectrocolorimetric methods. It seems that H2O2 on the surface is converted in another ROS, ¿OH. Finally, the study of the bacterial response mechanisms to photocatalysis, especially for L. monocytogenes, was initiated by a transcriptomic approach by following the expression of genes involved in the response to oxidative stress. However, the method used requires an optimization in order to be used for the bac

La mise au point de milieux de culture permettant de mettre en évidence rapidement et de manière reproductible des micro-organismes exigeants représenterait une évolution significative dans le contrôle des produits et procédés industriels. Deux milieux de culture synthétiques ont été élaborés pour répondre à ce besoin. Le développement des milieux de culture a été réalisé en combinant l’analyse de composés nutritionnels à l’étude de certains métabolismes bactériens. Les formulations des milieux de culture obtenues permettent ainsi la croissance de micro-organismes aux exigences nutritionnelles très variées comme ceux fréquemment isolés dans l’eau industrielle. En parallèle, des expériences sur des biofilms multi-espèces, utilisant des bactéries isolées de systèmes d’eau industrielle, ont permis d’observer que la survie des bactéries en milieu pauvre en nutriments, est dépendante d’interactions coopératives, basées sur le « swarming » et le « hitchhiking ». / The development of culture media to quickly and reproducibly detect fastidious microorganisms represents a significant change in the control of industrial products and processes.Two synthetic culture media have been developed to reach specifications. The development was performed by combining the analysis of nutritional compounds to the study of specific bacterial metabolisms. The formulations of the resulting culture media allow the growth of microorganisms with different nutritional requirements as those frequently isolated in industrial water.In parallel experiments on multi-species biofilms, using bacteria isolated from industrial water systems, it was observed that the survival of bacteria in nutrient-poor environments is dependent on cooperative interactions, based on "swarming" and "hitchhiking".

L’acné vulgaris est considérée comme l’une des maladies de la peau les plus communes. Sa pathologie n’est pas encore totalement élucidée mais Cutibacterium acnes (précédemment Propionibacterium acnes), est considérée comme l’un des facteurs principaux de son développement. Cette bactérie est caractérisée par une importante variabilité génomique et les souches de ribotype 4 et 5 (RT4 et RT5) ont été associées à l’acné tandis que celles de RT6 sont considérées comme commensales. Les différences physiologiques de ces types de C. acnes en fonction de leur environnement (différents milieux de culture) a été étudiée. De plus, un lien a été décrit entre l’acné et le stress, l’utilisation de produits cosmétiques sans conservateurs est en plein essor et les bactéries sont capables de réagir à des facteurs locaux par des changements métaboliques importants. Dans ce contexte, l’impact de deux catécholamines et de deux produits cosmétiques a également été testé. Cette étude montre que les différents types de C. acnes sont adaptés à des niches écologiques différentes : les souches acnéiques semblent adaptées à un développement dans les glandes sébacées tandis que les souches commensales se trouveraient plutôt en surface et en haut du follicule pileux. De plus, le type acnéique semble associé à un potentiel inflammatoire plus important, ce qui conforte sa possible implication dans l’acné. Les catécholamines (épinéphrine et norépinéphrine) peuvent stimuler leur capacité de formation de biofilm et C. acnes traité avec ces molécules peut stimuler la lipogenèse des sébocytes. Un lien pourrait donc être fait entre le stress et le rôle potentiel de C. acnes dans l’acné. D’autre part, cette étude montre également que le biofilm de C. acnes peut être diminué en présence d’eau thermale d’Uriage et/ou d’un polysaccharide riche en rhamnose (PS291®). / Acne vulgaris is one of the most common skin diseases. Its pathogenesis is still unclear but Cutibacterium acnes (former Propionibacterium acnes) is considered as essential for its development. This bacterium is characterized by high genomic variability and some strains as ribotype 4 and 5 (RT4 and RT5) strains are highly associated with acne whereas RT6 strains are enriched in healthy skin. The physiological differences between these C. acnes types were evaluated dependently of their environment (culture media). Moreover, a link between acne and stress has been described, the use of preservative-free-cosmetics is burgeoning and bacteria can react to local factors by important metabolic changes. In this respect, two catecholamines and two cosmetic compounds were also tested. This study shows that the different C. acnes types are adapted to different ecological niches: acneic strains are adapted to sebaceous glands whereas non-acneic strains are more adapted to the skin surface and the upper hair follicle. Moreover, the acneic type seems associated to a more important inflammatory potential, which consolidates its possible implication in acne. The catecholamines can stimulate its biofilm formation and C. acnes treated by these molecules can stimulated the lipogenesis in sébocytes. Then, this study highlights the existence of a link between stress and the potential role of C. acnes in acne. Elsewhere, this study shows that the biofilm of C. acnes can be inhibited by Uriage thermal water and/or a rhamnose-rich polysaccharide (PS291®).

Dans le cadre de ce projet initiant la nouvelle thématique de recherche sur les piles à combustible microbiennes (PCM) au LOCIE, nous tentons de répondre aux problématiques suivantes : Quelles stratégies d'intensification des transferts peuvent être mises en œuvre pour optimiser les efficacités de conversion chimiques et énergétiques des PCM ? Quels sont les moyens de caractérisation et de contrôle des phénomènes mécanistiques inhérents aux réactions bio-électro-chimiques à chaque électrodes ? Dans un premier temps, nous abordons le sujet à travers deux stratégies concrètes d'optimisation en terme d'architecture : l'utilisation d'électrodes poreuses en carbone vitreux réticulé (CVR) pour maximiser l'aire d'électrode active au sein d'un volume donné d'une part, et d'autre part, l'intégration multi-échelle via l'approche constructale, dont l'objectif est de minimiser la résistance à l'écoulement au sein du réacteur. Dans un second temps, nous conduisons une démarche fondamentale qui s'est attaché à identifier et caractériser les mécanismes électrochimiques, via l'évaluation de l'effet de facteurs d'ordre physico-chimiques (température, conductivité, pouvoir tampon et charge organique) et matériels (oxydation du CVR, catalyseur en platine sur la cathode, épaisseur de membrane, aire de cathode) sur le fonctionnement d'une PCM. Cette approche multifactorielle utilise la méthodologie des plans d'expérience via les tables de Tagushi. Des analyses par spectroscopie d'impédance électrochimique visent à apporter une vision complémentaire de notre système. L'analyse des spectres d'impédance des électrodes et du réacteur nous a permis de modéliser les mécanismes électrochimiques en jeu à travers des analogies électriques. / In this project we addressed the two following issues : what transfer intensification strategies can be set up to optimize the chemical and energetic yields in microbial fuel cells ? What are the most relevant methods to characterize and control the bio-electrochemical phenomenon that are taking place ? We first report two strategies regarding the reactor engineering that are (i) the use of reticulated vitreous carbon as high-surface area porous electrodes and (ii) the use of constructal approach as a multi-scale optimization for fluid distribution. Advantages and limits are discussed. In a second part, we address some basic research which aims at identifying and characterizing the electrochemical phenomenon occurring in our reactor and quantifying the effect of various physicochemical (temperature, conductivity, buffer and substrate concentration) and material factors (oxydized RVC, platinized air-cathode, membrane thickness, cathode surface area). This multifactorial analysis was performed using Tagushi experimental plans and electrochemical impedance spectroscopy (IES). IES was successfully used to simulate our electrodes and cell phenomenon based on electrical analogies using resistive and capacitive elements.

Escherichia coli et Enterococcus faecalis sont deux principaux agents pathogènes impliqués dans les infections du tractus urinaire (ITU) en médecine de ville et à l’hôpital. Ces espèces bactériennes sont responsables d’ITU aigües avec des phénomènes de récurrence et dans des ITU chroniques. La consommation d'antibiotiques est directement corrélée à la résistance des bactéries uropathogènes ce qui montre l'importance de contrôler l'utilisation des antibiotiques et de développer des traitements préventifs et curatifs alternatifs pour les infections urinaires.La consommation alimentaire de cranberry et de leurs extraits est traditionnellement associée avec le maintien en bonne santé des voies urinaires. Par ailleurs, certaines études cliniques semblent montrer un effet préventif des ITU associé à la consommation alimentaire de cranberry. In vitro et ex vivo, la consommation de ces extraits par l’homme réduit l’adhérence de certaines souches d’E. coli aux cellules épithéliales urinaires et la formation de biofilm de différentes espèces. L’hypothèse de travail est que la consommation alimentaire d’extraits de cranberry conduise à la formation de métabolites urinaires qui diminuent l'adhérence des bactéries uropathogènes à l’épithélium urinaire. Ce mécanisme serait à la base de la prévention des ITU par consommation d’extraits de cranberry. Cependant, les métabolites bioactifs restent largement méconnus. / Escherichia coli and Enterococcus faecalis are two main pathogens involved in urinary tract infections (ITU) in town medicine and in the hospital. These bacterial species are responsible for acute UTIs with recurrence phenomena and in chronic ITUs. The consumption of antibiotics is directly correlated with the resistance of uropathogenic bacteria, which shows the importance of controlling the use of antibiotics and of developing alternative preventive and curative treatments for urinary infections.Cranberry consumption of their extracts is traditionally associated with the maintenance of healthy urinary tract. In addition, some clinical studies seem to show a preventive effect of ITUs associated with cranberry consumption. In vitro and ex vivo, the consumption of these extracts by humans reduces the adhesion of certain E. coli strains to urinary epithelial cells and biofilm formation of different species. The working hypothesis is that the consumption of cranberry extracts leads to the formation of urinary metabolites that decrease the adhesion of uropathogenic bacteria to the urinary epithelium. This mechanism would be the basis for the prevention of ITU by consumption of cranberry extracts. However, bioactive metabolites remain largely unknown.

Dans le passé, Nichols et al. (Cell, 2010) ont criblé une collection de mutants de déletion d’Escherichia coli (~4000 gènes) dans ~324 conditions. L’utilisation de la taille des colonies comme indicateur de croissance, leur a permis de définir des phénotypes robustes pour ~50% des mutants, conduisant ainsi à de nouvelles idées biologiques. Cependant, 50% des gènes restants n’ont pas donné de réponse significative.J’ai souhaité dépasser les limitations du précédent criblage en augmentant le crible dans 2 directions : tout d’abord, j’ai augmenté le nombre et la complexité des conditions de stress dans le but d’imiter les contraintes d'origine naturelle. Puis, j’ai adapté le test «rouge Congo» afin de tester la formation de biofilm.J’ai ainsi généré deux ensembles de données, contenant ~2 millions de phénotypes de croissance et de biofilm, dans approximativement 250 conditions de stress simples et complexes. Les données ont révélé des phénotypes pour ~80% des mutants testés, la majorité d'entre eux provenant de conditions de stress complexes et de la mesure de biofilm. L'utilisation de ces phénotypes a permis la construction d’un réseau connectant les complexes de protéines connus avec ~500 gènes de fonction inconnue.De plus, la mesure de biofilm a permis d’identifier de nouveaux acteurs impliqués dans la formation de biofilm. Les données obtenues grâce au test «rouge Congo» ont également révélé que de nombreux enzymes régulant les niveaux de ci-di-GMP servent de senseurs pour différents signaux entrants impliqués dans cette même voie. L’identité des signaux entrants a été révélée par les phénotypes spécifiques à une condition. / In the past, Nichols et al. probed a knock out collection of E. coli across 324 conditions. Using colony size as a proxy for fitness allowed them to define robust phenotypes (5% FDR) for about 50% of the knockouts, leading to novel insights into E. coli’s biology. The remaining 50% of the genes did not yield a significant response even when growth was probed in such diverse conditions.I address the limitations of this previous high-throughput screen by expanding the screen design it in 2 directions: First, I increased the number and complexity of conditions to mimic naturally occurring stresses. Second, I adapted the Congo-red assay to probe biofilm formation in parallel to growth. I was able to generate two datasets that consist of more than 2 million growth and biofilm phenotypes across ~250 simple and complex stresses. The datasets revealed phenotypes for ~80% of the knockouts probed (5% FDR) with the large majority of them originating from complex stresses and the biofilm readout. Using these phenotypes, I generated a high-confident network connecting known protein complexes with >500 uncharacterized genes. In addition, the biofilm readout captured dozens of new players involved in biofilm formation. Even further, the color dataset revealed that the multiple enzymes regulating the levels of ci-di-GMP, serve as sensors for different input signals that feed into the same pathway. Identity of the input signals was revealed by the condition-specific phenotypes.