La prise de conscience récente de la menace qui pèse sur les océans, réceptacle final de la pollution plastique, a donné lieu à une effervescence dans le domaine scientifique. On estime que plus de 5,25 milliards de particules plastiques flottent dans les océans. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre de cette préoccupation environnementale de premier ordre, en apportant de nouvelles connaissances sur le compartiment bactérien qui se développe sur les débris plastiques en mer, appelé « plastisphère ». L’analyse des prélèvements effectués pendant l’expédition Tara-Méditerranée a permis de caractériser, pour la première fois dans cette zone, un biofilm abondant et spécifique des plastiques par comparaison aux communautés bactériennes attachées aux particules organiques ou libres dans l’eau de mer. Ensuite, la cinétique de colonisation bactérienne sur différents polymères a été étudiée grâce à la mise en place de microcosmes en circulation ouverte sur le milieu naturel. Le couplage original de données biologiques et physico-chimiques des surfaces plastiques a permis de constater un développement bactérien plus important sur des plastiques « biodégradables » (notamment des espèces hydrocarbonoclastes) par rapport aux polymères conventionnels. Enfin, de fortes activités hétérotrophes et ectoenzymatiques ont été constatées sur les polymères par rapport à l’eau de mer. Encore une fois, des différences en fonction des types de plastiques et du stade de formation du biofilm ont été observées. Les travaux menés pendant cette thèse mettent en lumière l’existence d’une nouvelle niche écologique sur les plastiques, distincte de celle de l’eau de mer environnante. / The increasing awareness on the impact of plastic pollution within the marine environment has stimulated countless of scientific studies. For the past decade, researchers have quantified plastic waste and assessed its fate at sea. It is estimated that more than 5.25 billion plastic particles float within the world’s oceans today. This PhD work is a result in part of this major environmental concern. It brings with it new knowledge about the marine bacterial communities that develop on plastic debris, also termed as the "plastisphere". The analysis of samples taken from the Tara-Mediterranean expedition allowed us, for the first time, to characterize, and quantify communities specific towards plastic biofilms in comparison to the communities attached to organic matter in surrounding seawater. Bacterial colonization and its evolution on different types of polymers was studied using microcosm experiments with open seawater circulation. The unusual coupling of biological and physicochemical data of plastic surfaces revealed a greater bacterial development on "biodegradable" polymers compared to conventional polymer types (especially hydrocarbonoclastic species). We showed that the composition of the polymer, together with its hydrophobicity and roughness, influences the diversity of bacterial communities during the early colonization steps. Finally, a greater bacterial biofilm activity (e.g. heterotrophic productions) was observed on polymer surfaces compared to seawater. Once again, differences according to plastic types have been observed. This present work highlights the existence of a new ecological niche on plastics that are distinct from the surrounding seawater.

L'état des milieux aquatiques est un point essentiel de l'évaluation demandée par la Directive Cadre Européenne (DCE 2000/60/CE) visant à préserver ou à restaurer les masses d'eau superficielles et souterraines d'ici à 2015. A cet égard, les médicaments font désormais partis des contaminants organiques largement recherchés dans les eaux continentales de surface mais leur écodynamique sur tout un bassin versant est encore méconnue. Ce travail a ainsi apporté une évaluation de l'état de contamination de bassins versants par les médicaments à l'aide des biofilms épilithiques comme marqueur de l'imprégnation du milieu.La cartographie de l'imprégnation du bassin versant de la Vienne a permis de mettre en évidence une plus forte concentration en médicaments dans la partie amont du bassin que dans la partie aval (associée à la transition entre le socle granitique et les bassins sédimentaires). Les teneurs en médicaments mesurées dans les biofilms ont montré un facteur de concentration de 1000 par rapport aux teneurs rencontrées dans l'eau – traduisant ainsi un phénomène de bioaccumulation dans ce compartiment.L'hétérogénéité de l'habitat benthique (diversité des roches, différence d'exposition) influence le niveau d'imprégnation des biofilms sous certaines conditions d'exposition à un rejet.La majeure partie des biofilms situés en aval de l'ensemble des stations d'épuration est plus fortement contaminée. En revanche les mesures d'imprégnation effectuées sur le bassin de l'Arve n'ont montré aucun effet significatif de l'apport d'une station d'épuration recevant les effluents du Centre hospitalier Alpes Léman. / The European Water Framework Directive (DCE 2000/60/CE) aims to restore and protect aquatic ecosystems with the preservation of chemical and ecological status by 2015. In this sense, pharmaceuticals are part of organic contaminants currently investigated in surface waters but their fate along a watershed is still poorly known. This study has made an assessment of the contamination level of watersheds by pharmaceuticals using epilithic biofilms as a marker of the impregnation of the habitat.The impregnation mapping of the Vienne River watershed has highlighted a higher pharmaceutical concentration in the upper part of the river than in the lower part (associated with the transition from the granitic bedrock to the sedimentary basin). Pharmaceutical concentrations measured in the biofilms were 1000-fold higher than concentrations found in water – reflecting a phenomenon of bioaccumulation in this compartment.The habitat heterogeneity (rock diversity, exposure level) influences the impregnation degree of biofilms, depending on the exposure to point source pollution.Most biofilms located downstream from a wastewater treatment plant discharge were heavily contaminated with pharmaceuticals. On the other hand, the biofilms collected from the Arve River watershed have shown no significant effect of a wastewater treatment plant discharge receiving effluents from the hospital "Centre hospitalier Alpes Léman" on the impregnation of biofilms.

La fermentation œnologique et le vieillissement oxydatif des vins sous voile représentent des modes de vie très contrastés qui sont effectués par deux lignées différentes de souches de levures de l'espèce Saccharomyces cerevisiae. Dans cette thèse, nous avons comparé le génome de souches de levures de voile à celui de levures de vin afin de détecter leurs spécificités. Nous tout d'abord sélectionné 16 souches (8 levures de vin et 8 levures de voile) isolées en France, Hongrie, Italie et Espagne, pour séquencer leur génome sur une plateforme Illumina (HiSeq2000). Nous avons également développé un ensemble de souches de vin et de voile haploïdes pour l'évaluation moléculaire de différentes cibles. Nous avons également mis au point un milieu synthétique mimant le vin à cette fin. A partir de la comparaison des séquences du génome nous avons établi une phylogénie qui montre que les levures de voile représentent un groupe spécifique de levure, différentes des levures de vin, puis à partir de différentes méthodes (analyse en composantes principale, diversité nucléotidique et D de Tajima) nous avons identifié des régions divergentes. Ces régions variantes comprennent des gènes remplissant plusieurs fonctions clé associées à la croissance en voile. En particulier, des variations alléliques ont été rencontrées chez les levures de voile pour plusieurs gènes impliqués dans la régulation de l'expression de FLO11 tels que les voies MAP kinase, ou des voies Ras/cAMP/PKA, ainsi que pour plusieurs gènes impliqués dans l'homéostasie des cations divalents de métaux de transition tels que le zinc, le cuivre ou le fer. La comparaison des transcriptomes d'une levure de voile et d'une levure de vin sur notre milieu synthétique a révélé des différences d'expression pour les floculines (FLO1, 5, 8, 11) ainsi que pour le transport des hexoses, mais a également suggéré que la levure de voile P3-D5 était en situation de carence en zinc et en inositol par rapport à la levure de vin, tandis que la levure de vin K1 exprimait certains gènes suggérant des défauts mitochondriaux. L'impact de la variation allélique de plusieurs gènes a été évalué dans le phénotype de voile: le transporteur de zinc à haute affinité Zrt1 ainsi que la pyruvate décarboxylase majeure Pdc1. / Wine fermentation and flor ageing are performed by two groups of the yeast Saccharomyces cerevisiae, with very different lifestyles. In this thesis we have studied the genome of flor yeast in comparison to wine yeast in order to unravel their specificities. We have first selected 16 strains (8 wine and 8 flor) from France, Hungary, Italy and Spain in order to sequence their genome sequence on an Illumina HiSeq2000 platform. Three flor strains and two wine strains were haploidized in order to obtain a set of haploid flor strains for the molecular evaluation of different targets. We developed as well a synthetic media mimicking wine for that purpose. From the genome sequence we have drawn a phylogeny that showed that flor yeasts represent a specific lineage of yeast, different from the wine strains lineage, and identified divergent regions. These regions contain genes involved in key functions and several associated with velum growth. Remarkably, many genes involved in FLO11 regulation such as MAP kinase, or Ras/PKA pathways were mutated among flor strains and many variations were encountered in genes involved in metal homeostasis such as zinc and divalent metal transporters. A transcriptome analysis comparing one flor and one wine yeast on our wine synthetic media revealed expression differences associated to floculins and hexose transport, but also suggested that flor yeast P3-D5 face a zinc and inositol deficiency, whereas wine yeast K1 presented mitochondrial defects. The impact of allelic variation of several genes coding for the high affinity zinc transporter (ZRT1), and the major pyruvate decarboxylase (PDC1) has been evaluated in order to assess their role in the flor phenotype.

Dans les systèmes anaérobies de traitement d'eaux usées, la biomasse microbienne complexe incluant archées et bactéries peut être maintenue au sein du procédé par l'adhésion aux supports solides sous forme de biofilm. Le but de ce travail est d'évaluer l'impact des propriétés des matériaux supports sur l'adhésion et la colonisation du consortium méthanogène. Différents matériaux (le polyéthylène, le polypropylène, le chlorure de polyvinyle, l'acrylonitrile butadiène styrène, le polycarbonate, le verre borosilicaté, l'acier inoxydable 304L et Bioflow 30 ®) sont décrits en termes de topographie par la détermination de rugosité et en termes d'énergie de surface par la mesure d'angle de contact. Le biofilm est évalué quantitativement et les structures communautaires bactériennes et archéennes sont observées grâce à l'analyse moléculaire à différents stades de sa mise en place. L'adhésion d'un consortium méthanogène sur les matériaux après deux heures de contact dans un réacteur annulaire rotatif révèle que les communautés adhérées diffèrent de l'inoculum, y compris en termes de proportion archées/bactéries. Ce résultat a un impact significatif sur le démarrage de digesteurs anaérobie car les tendances observées sont confirmées pendant l'établissement du biofilm actif. La mise en oeuvre de différents matériaux dans des réacteurs à lit fixe a permis de montrer que les populations d'archées des biofilms sont spécifiques au matériau et indépendantes de l'inoculum. / In anaerobic wastewater treatment systems, the complex microbial biomass including Archeae and Bacteria may be retained as a biofilm by attachment to solid supports. The aim of this study is to evaluate the impact of support material properties on adhesion and colonization. Various substrata (polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, acrylonitrile butadiene styrene, polycarbonate, borosilicate glass, stainless steel 304L and Bioflow 30®) are described in terms of topography by determinating of roughness and in terms of surface energy by contact angle measurement. Adhesion is quantified and the bacterial and archaeal community structure are assessed by molecular analysis in various stages of the biofilm development. Adhesion of a methanogenic consortium on these substrata Is measured after two hours of contact in a rotating annular reactor. The result reveals that the adhered communities were different from the parent inocula, including the Archeae/Bacteria ratio. This result has a significant impact on the start-up of anaerobic digesters because the observed tendencies are confirmed during the establishment of the active biofilm. Start-up of anaerobic fixed-bed reactors using different substrata showed that Archeae populations in the biofilms are specific to each of the material and independent of the inoculum.

La bactérie à Gram négatif Pseudomonas aeruginosa est un pathogène opportuniste possédant de nombreux systèmes moléculaires contribuant à sa pathogénicité et à son développement selon un mode de vie en biofilm, qui permet une meilleure résistance aux défenses de l’hôte et aux antibiotiques. Parmi ces systèmes, on retrouve les fimbriae assemblés par la voie chaperonne – « usher » (CU). La voie CU implique une protéine formant un pore dans la membrane externe, la protéine « usher », une chaperonne périplasmique et au moins une sous unité piline qui va être assemblée en fimbriae à la surface de la bactérie.Mon travail de thèse a principalement porté sur l’étude du cluster de gènes cupE, qui code pour un système CU du clade σ-fimbriae. Ce système est différent des quatre autres systèmes CU cupA – cupD déjà caractérisés chez P. aeruginosa et appartenant au clade γ4-fimbriae. Indépendamment des gènes codant la protéine « usher » et la chaperonne, ce cluster comprend quatre autres gènes qui codent pour des sous unités pilines atypiques (une piline majeure, deux pilines mineures et une adhésine). Nous avons montré que le système CupE est fonctionnel et permet l’assemblage de fimbriae à la surface de la cellule, assemblage (oligomérisation de la sous unité majeure en fimbirae) pour lequel nous avons montré que l’adhésine est essentielle, au contraire des deux sous unités mineures. Ces fimbriae jouent un rôle important dans la formation et la structuration du biofilm, tant à des étapes précoces que lors des étapes tardives. Excepté une piline mineure, tous les éléments de la fibre sont importants pour la formation du biofilm. Ce cluster de gènes est spécifiquement exprimé en conditions de formation du biofilm et par une approche de mutagenèse aléatoire par transposition, le système à deux composants (TCS) PprA – PprB a été identifié comme un régulateur positif potentiel de ce cluster. L’implication de ce TCS dans la régulation de cupE a été vérifiée et nous avons pu démontrer par des techniques de retard sur gel que ce contrôle est direct et que PprB se lie sur des boites putatives en amont du +1 de transcription de cupE défini par 5’-RACE PCR.Ce TCS ayant été identifié au préalable comme un régulateur positif de pili de type IVB Flp, eux-mêmes acteurs du biofilm chez P. aeruginosa, nous avons caractérisé le régulon du régulateur de réponse PprB. Parmi les nouvelles cibles régulées positivement par PprB, nous avons identifié deux cibles nouvelles dont nous avons débuté la caractérisation. La première est un opéron de quatre gènes codant pour un transporteur ABC impliqué dans la résistance aux antibiotiques spécifiquement en conditions de biofilm et pour une protéine de haut poids moléculaire, substrat potentiel de ce transporteur ABC. Cette protéine, que nous avons renommé AdhA, est effectivement sécrétée par le transporteur ABC et est impliquée dans la cohésion des cellules au cours de la formation du biofilm. Il s’agit d’une nouvelle adhésine participant à la structuration du biofilm chez P. aeruginosa. La seconde cible est un gène codant pour une protéine que nous avons renommée Hvn, homologue aux halovibrines HvnA et HvnB de Vibrio fischeri. Le sécrétome d’une souche délétée du gène hvn est considérablement modifié et son absence d’effet sur la morphologie des cellules eucaryotes par rapport au sécrétome de la souche PAO1 suggère que la protéine Hvn pourrait jouer un rôle dans la virulence de P. aeruginosa.Au travers de ce travail, nous avons caractérisé le système CupE de la voie CU chez P. aeruginosa et montré qu’il assemblait des fimbriae atypiques pouvant avoir un rôle dans les différentes phases de la formation du biofilm et qu’il était sous la régulation directe et positive du TCS PprA – PprB. [...] / The Gram negative opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa is equipped with molecular systems that contribute to bacterial pathogenesis and biofilm development, this latter being associated with increased resistance to host defenses and antibiotics. Among them, are the fimbriae assembled by the chaperone usher (CU) pathway. The CU pathway involves a protein called the usher that forms a pore in the outer membrane, a periplasmic chaperone and at least one fimbrial subunit assembled into fimbriae at the cell surface.My PhD study mainly focuses on the cupE gene cluster, encoding a CU system from the σ-fimbrial clade. This system is different from all the CU systems cupA – cupD already characterized in P. aeruginosa, all belonging to the γ4-fimbrial clade. Independently from the genes encoding the usher and the chaperone, this cluster comprises four other genes encoding atypical pilins (one major pilin, two minor pilins and one adhesin). We showed that this CupE system is functional and allows the assembly of fimbriae at the cell surface. Unlike the two minor pilins, the adhesin is necessary for the fimbriae assembly (oligomerisation of the major subunit into the fiber). These fimbriae play an important role in biofilm formation and structuration, at early and late steps. Except one minor pilin, all subunits are important for the CupE-dependent biofilm formation. This gene cluster is specifically expressed in biofilm conditions and a random transposon mutagenesis allowed us to identify the two component system (TCS) PprA-PprB as an activator of cupE genes. We verified the implication of this TCS in cupE regulation and, using EMSA, we showed that the PprB control on cupE is direct, with PprB binding onto putative boxes upstream the transcription start of cupE, defined by 5’-RACE PCR.As this TCS was identified before as a positive regulator for the type IVB Flp pilus, another actor in the biofilm formation, we defined the PprB regulon. Among the new targets positively controlled by PprB, we found two new targets that we started to characterize. The first one is a four gene operon encoding an ABC transporter involved in antibiotic resistance specifically in biofilm conditions and a high molecular weight protein, a potential substrate for this ABC transporter. This protein that we renamed AdhA is indeed secreted by this ABC transporter and is implicated in the cohesion between cells during the biofilm formation. It is a new adhesin participating into the biofilm structuration of P. aeruginosa. The second target is a gene encoding a protein that we renamed Hvn, and homologous to HvnA and HvnB halovibrins from Vibrio fischeri. Secretome from an hvn mutant is highly modified and the lack of effect on eukaryotic cell’s morphology in comparison to the PAO1 secretome suggests the Hvn protein can play a role in P. aeruginosa virulence.Through this work, we characterized the cupE system from the CU pathway and showed that this system can assemble atypical fimbriae having a role in the different phases of biofilm formation. This system is under the positive and direct regulation of the TCS PprA – PprB.[...]

Modéliser les phénomènes de transport de solutés organiques en milieux poreux colonisés par des populations bactériennes se développant sous forme de biofilms est un domaine de recherche important pour un certain nombre d’applications environnementales, comme par exemple pour les méthodes de bioremédiation des sols et des eaux contaminés par des polluants organiques (biosparging, bio-barrières …). Les biofilms, qui sont composés principalement de bactéries et de substances polymériques extracellulaires, peuvent se développer sur les parois de grains d’un milieu poreux. Le métabolisme bactérien dégrade les solutés organiques et contribue ainsi à la diminution de la contamination. Le transport bio-réactif de composés organiques dans un milieu poreux incluant un biofilm est un problème fortement multi-échelle (depuis l’échelle de la bactérie jusqu’à l’échelle de l’aquifère) et fortement couplé (avec des phénomènes hydrodynamiques, physico-chimiques et biochimiques). Le soluté organique est transporté par convection et diffusion dans la phase fluide et diffuse dans la phase biofilm, où il est dégradé par le métabolisme bactérien. Le but de ce travail est de développer des modèles de transport bio-réactif définis à l’échelle de Darcy à partir des données disponibles à l’échelle du pore, en adoptant la méthode de changement d’échelle dite de prise de moyenne volumique. Dans le cas général, une telle approche conduit à un modèle macroscopique de transport à deux équations couplées (une équation par phase de transport). En considérant les relations entre les concentrations moyennées dans chaque phase, plusieurs régimes de transport permettant de dégénérer ce modèle en modèle à une seule équation peuvent être identifiés. L’hypothèse d’équilibre de masse local conduit à un tel modèle simplifié. En condition de non-équilibre, deux cas limites permettent également de développer des modèles de transport à une équation : le cas où le taux de biodégradation est contrôlé par le transfert de masse externe et le cas ou il est contrôlé par la cinétique de réaction. L’utilisation de ces quatre modèles implique la résolution numérique de problèmes de fermeture, afin d’évaluer les paramètres macroscopiques de transports (tenseur de dispersion, taux de dégradation …). Des calculs de coefficients effectifs ont été effectués dans différentes conditions de transport afin d’étudier leur comportement. Les résultats de ces modèles ont été comparés avec ceux obtenus par simulations directe à l’échelle microscopique pour une géométrie de pore bidimensionnelle stratifiée. À partir de ces comparaisons, les domaines de validité de chaque modèle ont été identifiés en termes de conditions hydrodynamique et biochimique de transport. (i.e. le nombre de Péclet et le nombre de Damköhler). Le développement d’un modèle expérimental de transport en milieux poreux incluant un biofilm a également été entamé, afin d’une part d’effectuer une validation expérimentale des modèles numériques préalablement développés et d’autre part de fournir un outil supplémentaire pour l’étude des phénomènes considérés / Modeling transport in porous media of organic chemical solute in presence of a bacterial population growing as biofilms is an important area of research for environmental applications, for example for remediation of groundwater contaminated by organic pollutants (biosparging, bio-barriers …). Biofilms, which are composed of bacteria and extracellular organic substances, grow on the pore walls of the porous medium. Bacteria degrade the organic solute by their metabolism and thus may contribute to pollution decrease. Bio-reactive transport of an organic solute in a porous medium including a biofilm phase is a strongly multi-scale (from the bacteria scale to the heterogeneity scale of the aquifer) and coupled (involving hydrodynamic, physicochemical and biochemical phenomena) process. The organic solute is transported by convection and diffusion in the fluid phase and diffuses into the biofilm phase, where it is degraded by bacterial metabolism. The goal of this work is to develop macroscopic models of bio-reactive transport at the Darcy-scale through volume averaging based on the data available at pore-scale. In the general case, the macroscopic system obtained by averaging pore-scale equations is a two coupled equations system (one equation for each phase), called two-equation model. By considering the relation between averaged concentration in the fluid phase and averaged concentration in the biofilm phase, several regimes of transport can be found which allow simplifying this system into a one equation system. The local mass equilibrium assumption leads to such a simplified model. When an equilibrium relationship between phases cannot be considered, a one equation model may though be developed if the biodegration rate is limited by external mass transfer or by the kinetics of bacterial metabolism. The use of these models implies the numerical solving of closure problems, in order to set up the values of the macroscopic transport parameters (dispersion tensor, interfacial flux …). Computations of these effective coefficients have been performed in different situations of mass transport in porous medium in order to study their behaviour. The results of these models have then been compared with direct simulations performed on a simplified geometry representative of a two-dimensional porous medium including a biofilm phase. Based on these comparisons, the validity domain of this model has been identified in terms of hydrodynamic and biochemical conditions of transport (i.e. the Péclet number and the Damköhler number). The set up of an experimental model of transport in a porous media including a biofilm phase has also been started, in order to make experimental validations of the previously developed numerical models and to build up an additional tool to study the considered phenomena

The aim of this diploma thesis is to optimize a method of interfacial rheology for testing the interfacial behaviour of biofilms on the liquid-air interface and after that use the method for studying the biofilm formation under optimal and stress conditions. For studying the biofilm formation, Kombucha was used. It is a microbial culture forming a cellulose biofilm on the interface. As the stress conditions, reduction of sucrose concentration, change of pH and change of ionic strength was used. Next, the ability of regeneration of biofilm formed on the interface was studied. The biofilm formation was occured in all cases except of increasing ionic strength. As expected, the best biofilm biofilm growth was observed under optimal condition, which means a sucrose concentration 100 g/l.

Einleitung: Biofilme gelten als die ursprüngliche Form des Lebens. Biofilme haben sich als Lebensform so gut bewährt, dass sie über die gesamte Zeit überlebt, sich weiterentwickelt und aufgrund dessen weit verbreitet haben. Ökologisch gesehen, besitzen sie eine große Bedeutung an den globalen Stoffwechselkreisläufen. Weiterhin spielen sie eine bedeutende Rolle bei der Pathogenese von chronischen Erkrankungen. So stellen im Organismus auftretende Biofilme die Ursache für zahlreiche, teils lebensbedrohliche Infektionen, wie die Endokarditis dar. In der Mundhöhle bilden die sich in der dentalen Plaque befindlichen Bakterien Säuren, welche Karies verursachen und im parodontalen Sulkus proliferierend zur Entstehung von Parodontopathien führen können. Neben ihren krankheitsauslösenden Effekten besitzen Biofilme auch lebensnotwendige Eigenschaften. Sie sind zum Beispiel Bestandteil der natürlichen Darmmikrobiota und tragen dort zur Verdauung, Immunmodulation sowie zur Versorgung des Organismus mit Vitaminen bei. Ziel dieser Übersichtsarbeit war es einen aktuellen Stand über die Ätiologie und Pathogenese von Biofilmen im Allgemeinen und die spezielle Bedeutung der dentalen Plaque bei der Pathogenese der Parodontitiden im Besonderen zu evaluieren. Material und Methoden: Die Bearbeitung der Thematik erfolgte anhand einer systematischen Literaturrecherche. Hierzu wurden internationale Quellen zusammengetragen und ausgewertet. Zum Auffinden von themenrelevanten Quellen dienten entsprechende Keywords. Diese Schlagwörter wurden einheitlich in den Datenbanken verwendet und sowohl in englischer als auch deutscher Sprache formuliert. Für die Auswahl der Datenbanken waren ausschlaggebend das Fachgebiet, der Evidenzgrad und die Zugänglichkeit. Primär erfolgte die Suche in der „Cochrane Library“, da dort Studien mit dem höchsten Evidenzgrad erfasst sind. Weiterhin wurden die Metadatenbanken „PubMed“ der American National Library of Medicine und „DIMDI“ verwendet. Zur Verwaltung der Literatur kam die Literaturverwaltungssoftware „Citavi“ zur Anwendung. Ergebnisse: Unabhängig von deren Lebensraum weisen alle Biofilme gemeinsame Merkmale auf. Am wichtigsten für die Biofilmentstehung ist die Produktion einer extrazellulären polymeren Matrix, in welche die Bakterien eingebettet und dadurch besser vor äußeren Einflüssen, wie Scherkräften und Austrocknung geschützt sind. Weitere wichtige Effekte des multibakteriellen Zusammenlebens innerhalb der Plaque sind Stoffwechseloptimierungen, die Virulenzsteigerung, eine erhöhte Resistenz gegenüber antimikrobiellen Substanzen, interzelluläre Kommunikation mittels Quorum sensing und die sich dadurch ergebende Möglichkeit der gezielten Expression von Genen. Auch die Etablierung von wachstumsfördernden Umgebungsbedingungen resultiert aus dem bakteriellen Zusammenschluss. Im Vergleich zu anderen Biofilmen zeichnet sich die orale Mikrobiota durch ihre besonders hohe Heterogenität und damit Komplexität aus. Unter normalen Bedingungen gehen die Plaquebakterien mit dem Wirtorganismus eine Symbiose ein. Dieser mutualistische Zustand wird als mikrobielle Homöostase bezeichnet. Während die residente orale Mikrobiota vom Nährstoffangebot und Lebensraum profitiert, trägt sie zur Abwehr pathogener Keime bei. Nur durch das Zusammenspiel verschiedener Einflussfaktoren, die Initiierung einer Entzündungsreaktion sowie die bakteriellen Interaktionsmöglichkeiten innerhalb des Biofilms, kommt es zur Krankheitsentstehung. Pathogene Plaquebakterien spielen eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese der Parodontitis. Die Zusammensetzung von supragingivaler und subgingivaler Plaque differenziert deutlich voneinander. Bei chronisch und aggressiv verlaufender Parodontitis weist die subgingivale Plaquezusammensetzung keine signifikanten Unterschiede auf. Es gibt jedoch Hinweise auf spezielle Subspezies, die mit besonders schweren Verlaufsformen in Zusammenhang gebracht werden. Einzelne Bakterienspezies sind aber nicht in der Lage die Pathogenese einer Parodontitis zu initiieren. Schlussfolgerung: Neben der mechanischen Eradikation des supra- und subgingivalen Biofilms mittels verschiedener Behandlungsmöglichkeiten, stellt die Prävention, in Form einer Entzündungsprophylaxe, eine effektive Therapieoption dar. Nur wenn das natürliche Gleichgewicht zwischen oraler Mikrobiota und Wirtsorganismus aufrechterhalten wird, kann die Entwicklung einer Parodontitis vermieden werden. Neue, sich aus der Wissenschaft ableitende Therapieansätze, wie der Einsatz von Quorum sensing - Inhibitoren und probiotischen Stoffen, erfordern weitere Erforschung, um sie für den praktischen Einsatz nutzbar zu machen.:Abkürzungsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis II 1. Einleitung 1 1.1. Allgemeines zu Biofilmen 2 1.2. Natürliches Vorkommen von Biofilmen 4 1.3. Bildung von Biofilmen 5 1.3.1. Initiale Adhäsion 6 1.3.2. Proliferation und Reifung 7 1.3.3. Dispersion 8 1.4. Biofilmstrukturen 10 1.4.1. Aufbau von Biofilmen allgemein 10 1.4.2. Aufbau der dentalen Plaque 12 1.5. Quorum sensing 17 1.6. Immunreaktionen auf Biofilme 19 1.7. Bedeutung von Biofilmen in der Medizin 23 2. Fragestellung 29 3. Material und Methode 30 4. Ergebnisse 34 4.1. Eigenschaften der dentalen Plaque 34 4.2. Bedeutung der oralen Plaque in der Zahnmedizin 40 4.2.1. Karies 41 4.2.2. Parodontopathien 41 4.2.3. Endodontale Infektionen 49 4.2.4. Periimplantitis 50 4.3. Therapieansätze für bakterielle Erkrankungen 51 4.3.1. Therapieoptionen biofilmbasierter Krankheiten 52 4.3.2. Therapie spezieller biofilmbasierter oraler Erkrankungen 53 5. Diskussion 57 6. Zusammenfassung 60 7. Literatur - und Quellenverzeichnis Iv 8. Anhang XXIV 8.1. Abbildungsverzeichnis XXIV 8.2. Tabellenverzeichnis XXIV

Le biofilm bactérien est une communauté de bactéries qui s’agrègent en un amas structuré recouvert d’une matrice polymérique et adhèrent sur une surface biotique ou abiotique. Ce mode de vie permet à ces bactéries de survivre dans un environnement hostile et cela entre autres grâce à une plus grande résistance aux antibiotiques que les bactéries sous forme libre ou planctonique. Les bactéries ayant la capacité de former des biofilms constituent donc un grave problème de santé tout aussi bien pour l’homme que pour l’animal comme par exemple dans le cas de la mammite bovine (MB). La MB est une inflammation de la glande mammaire de la vache induisant des dommages des tissus du pis et de ce fait, une réduction de la production de lait ainsi qu’une altération du bien-être de l’animal. Il est donc important de développer de nouvelles stratégies prophylactiques et thérapeutiques contre la MB. Des résultats préliminaires obtenus dans notre laboratoire avaient mis en évidence la capacité de certaines souches de staphylocoques à coagulase négative (SCN) produisant peu ou pas de biofilm à inhiber la formation de biofilm par d’autres bactéries responsables de MB. Notre hypothèse était donc que certaines souches faibles productrices de biofilm produisaient une ou plusieurs molécule(s) capable(s) d’inhiber de façon significative la formation de biofilm par d’autres SCN mais également par Staphylococcus aureus et possiblement d’autres agents pathogènes de la MB. Le but de ce projet fut donc de caractériser des molécules antibiofilm produites par des souches de SCN. Pour cela, 30 souches de staphylocoques (cinq espèces de SCN et S. aureus) fortes productrices de biofilm et 10 souches de SCN (Staphylococcus chromogenes et Staphylococcus simulans) faibles productrices de biofilm ont été utilisées. Nos résultats ont montré que certaines souches de SCN présentant un phénotype de faible production de biofilm réduisaient significativement la formation de biofilm chez plusieurs espèces de staphylocoques dont S. aureus. De plus, quatre souches de SCN (S. chromogenes C et E et S. simulans F et H) ont été capables d'inhiber de façon significative (p < 0,05) la formation de biofilm de 80% des souches testées. Cette activité antibiofilm a été également visualisée par microscopie confocale ainsi que dans des conditions dynamiques en utilisant un système de microfluidique. En parallèle, il a été démontré que les souches de SCN présentant un phénotype de faible production de biofilm n'inhibaient pas significativement la croissance des souches ayant un phénotype de forte production de biofilm. Par conséquent, l’activité antibiofilm observée ne semblait pas être due à une activité bactéricide. De plus, nos résultats ont montré que les surnageants de ces quatre souches présentaient également une activité antibiofilm et qu’ils possédaient un spectre d’activité étendu suggérant ainsi que les souches excrétaient une molécule antibiofilm dans son environnement extérieur. La caractérisation de ces surnageants a permis de mettre en évidence que l’activité inhibitrice était notamment conservée dans la fraction des surnageants < 3kDa et qu’une des molécules responsables de cette activité était hydrophile, thermorésistante et sensible à l’action de la RNase A. Enfin, nous avons pu observer que ces surnageants avaient la capacité de réduire voir même de prévenir la colonisation de la glande mammaire par une souche de S. aureus résistante à la méthicilline dans un modèle murin de mammite. Ces surnageants semblent être une alternative prometteuse dans le contrôle de la MB pour prévenir et/ou traiter cette infection que ce soit seul ou en association avec un traitement antibiotique. / Bacterial biofilms are structured communities of bacteria cells enclosed in a selfproduced polymeric matrix which is adherent to a biotic or abiotic surface. This lifestyle allows these bacteria to survive in hostile environments. For example, bacteria having the ability to form biofilms are significantly less susceptible to antibiotics than bacteria in planktonic form. Bacteria within biofilms pose a serious risk to human and animal health such as during bovine mastitis (BM). BM is an inflammation of the mammary gland of dairy cows which causes udder damages and reduces milk production. Therefore, it is important to develop new prophylactic and therapeutic strategies to control and treat BM. Preliminary results have demonstrated the ability of some coagulase-negative staphylococci (CNS) producing a weak biofilm to inhibit biofilm formation by other bacteria associated with BM. Our hypothesis is that some of CNS isolates having the ability to form a weak biofilm produce one or more molecule(s) able to significantly inhibit biofilm formation by other CNS, Staphylococcus aureus or other BM pathogens. The purpose of this project was to characterize antibiofilm molecules produced by CNS isolates. A total of 30 staphylococcal isolates (five species of CNS and S. aureus) with a strong biofilm phenotype and 10 CNS (Staphylococcus chromogenes and Staphylococcus simulans) isolates with a weak biofilm phenotype were used. Our results indicated that some CNS isolates with a weak biofilm phenotype significantly reduced biofilm formation of several staphylococcal species including S. aureus. Importantly, four isolates of CNS (S. chromogenes C and E and S. simulans F and H) were able to significantly inhibit biofilm formation (p < 0.05) of 80% of staphylococcal isolates tested. This activity was confirmed using confocal microscopy but also in dynamic conditions using a microfluidic system. Additionally, CNS with a weak biofilm phenotype did not significantly inhibit the growth of isolates with a strong biofilm phenotype. Therefore, the biofilm inhibition does not seem to be due to a bactericidal activity. The results also showed that the culture supernatants from these four bacteria still have an antibiofilm activity and own a broad spectrum of activity suggesting that the strains release an antibiofilm molecule into the external environment. The characterization of these supernatants indicated that the inhibitory activity was conserved in the < 3kDa fraction of the supernatants. Furthermore, one of the molecules responsible for the antibiofilm activity appears hydrophilic, heat-resistant and sensitive to the action of the RNase A. Finally, we observed that culture supernatants of these bacteria had the ability to reduce or even prevent colonization of the mammary gland by a strain of methicillin-resistant S. aureus in a murine model of mastitis. These supernatants appear to be a promising alternative alone or in combination with antibiotics in the control of BM.

La contamination microbienne des surfaces est l’une des préoccupations majeures des secteurs d’activités comme l’industrie agro-alimentaire, la santé publique et les milieux hospitaliers. Face aux problèmes de santé publique liés à contamination bactérienne sur les surfaces, la préparation de surfaces aux propriétés antibactériennes est devenue un intérêt de recherche majeur pour de nombreux scientifiques et ce, dans de nombreux domaines de recherches. Du point de vue de la chimie, des matériaux et de la microbiologie, la fonctionnalisation des surfaces de matériaux polymères préexistants sans altérer leur propriété initiale est une solution séduisante. Pour cela, développer des nouveaux matériaux antibactériens/antifouling où la surface serait fonctionnalisée par des polymères antimicrobiens, greffés de manière robuste i.e. de façon covalente représente une solution idéale. Afin de faciliter et d’accélérer le processus de criblage, il est proposé dans ce travail une nouvelle approche pour obtenir des polymères ayant des propriétés antimicrobiennes à la fois en solution et à partir de la surface. Ce travail comprend une étude de (co)-polymérisations contrôlées d'esters actifs servant d’intermédiaires pouvant être post-modifiés pour synthétiser des polymères d'intérêts présentant les caractéristiques antimicrobiennes attendues.Ce travail démontre que la polymérisation radicalaire contrôlée en présence de Cu(0)/Cu(II) est une technique appropriée qui permet de préparer facilement des (co)-polymères réactifs, en solution mais aussi à partir de surface de poly (téréphtalate d’éthylène), communément appelé PET. Dans un premier temps, nous aborderons l'étude de la polymérisation contrôlée du méthacrylate de pentafluorophényle (PFPMA), avec son optimisation en solution, puis à partir de surface du PET porteuse de groupement d’amorçage. De plus, la polymérisation du méthacrylate de p-nitrophényle (NPMA) sera également examinée, ainsi que la copolymérisation des deux esters actifs là-encore par polymérisation de type contrôlée en présence de Cu(0)/Cu(II). La post-modification des polymères activés est ensuite présentée. La post-modification s’est révélée efficace et facile à mettre en œuvre. La structure et les caractéristiques des polymères obtenus ont été analysées et confirmées. Il est à noter que la post-modification a pu être effectuée par un processus séquentiel avec une fonctionnalisation simple ou avec plusieurs huiles essentielles, qui possèdent des propriétés naturelles antibactériennes ou antioxydantes. Différents films de PET ont été modifiés, des polymères aux propriétés anti-adhérentes ont été greffés par cette même méthodologie. Ces surfaces modifiées ont été testées contre deux bactéries modèles telles que Staphylococcus aureus et Pseudomonas aeruginosa afin de déterminer si les modifications de surface ont conféré au film de PET les propriétés biologiques attendues. / Microbial contamination on surfaces has become major concern in various areas including industrial process as well as public health and hospitalization. Being aware of several problems causing by adherence and attachment of bacteria on a surface, preparation of antibacterial surface has become a global research interest for researchers in many domains. From the chemistry integrated with material science and microbiology point of view, functionalization of existing polymeric material surfaces is an attractive solution. In this domain, the surface functionalized with covalently grafted antimicrobial polymers represents an ideal solution. In order to facilitate the screening process, it is proposed in this particular research a new approach to obtain polymers with antimicrobial properties both in solution and from surface. The present approach includes a study in controlled (co)polymerization of active ester(s) serving as intermediate templates that can be eventually modified by polymer post-modification process to fabricate polymer of interest with expected antimicrobial characteristics.In general, it is demonstrated herein that the use of Cu(0)-mediated reversible deactivation radical polymerization (RDRP) is a suitable technique that allows facile preparation of reactive (co)polymers in solution and from surface of poly(ethylene terephthalate). First of all, this thesis focused on the study of controlled polymerization of pentafluorophenyl methacrylate (PFPMA) which appeared to be challenging. Furthermore, along with the optimization of polymerization in solution was the investigation of surface-initiated polymerization of this monomer from PET surface. Besides, polymerization of p-nitrophenyl methacrylate (NPMA) and copolymerization of the two active esters by Cu(0)-mediated RDRP were also examined. In addition, polymer post-modification of obtained (co)polymers with various compounds had been proven to be efficient, easy to perform. The structure and characteristics of obtained products were confirmed to match with expectations. It is remarkable that the post-modification can be done as sequential process, single or dual functionalization with several different essential oils, which are natural antibacterial or antioxidant compounds. On the other hand, the success in polymerization and post-modification of polymer of active esters in solution allowed the fabrication of different PET film grafted with polymers that are envisaged to have antiadhesion properties. Attempts to test such properties were also done against two model bacteria including Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa to investigate if expectations are valid.