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Les inhibiteurs des protéases à sérine (Serpins) constituent une classe d'enzymes très peu étudiée chez les bactéries. Dans ce travail de thèse nous nous sommes intéressés à l'étude des serpins provenant du microbiote intestinal et l'investigation de leur potentiel anti-inflammatoire pour le traitement des maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) chez l'homme. Pour cela nous avons identifié les serpins provenant du microbiote intestinal humain et analysé leur diversité ainsi que leur distribution entre les individus malades et sains. Ces données nous ont permis d'isoler les serpins significativement associées aux MICI. La purification de quarte d'entre elles nous a amené à démontrer qu'elles inhibent les protéases humaines impliquées dans les MICI. L'analyse biochimique et cinétique approfondie de ces protéines a montré qu'elles possèdent des propriétés originales notamment leur efficacité d'inhibition élevée. L'étude de l'effet protecteur de trois serpins chez un modèle animal de colite a démontré pour la première fois l'efficacité des serpins in vivo démontrant ainsi leur potentiel thérapeutique. / Serine protease inhibitors (Serpins) are a class of proteins that reamin poorly studied in bacteria. In this thesis we are interested in the study of serpins originating from the intestinal microbiota and the investigation of their anti-inflammatory potential for the treatment of inflammatory bowel diseases (IBD) in humans. For this we have identified serpins from the human gut microbiota and analyzed their diversity as well as their distribution between healthy and IBD patients. These data allowed isolating serpins significantly associated with IBD. The purification of four of them led us to demonstrate that they inhibit human proteases involved in IBD. Biochemical and kinetic analysis of these proteins showed that they exhibit original properties, in particular their high inhibition efficiency. The study of the protective effect of three serpins in an animal model of colitis demonstrated for the first time the efficacy of serpins in vivo demonstrating thus their therapeutic potential.

L'intensification de l'activité agricole depuis la deuxième moitié du 20e siècle, notamment l'utilisation de produits agrochimiques dans les bassins versants, a affecté la qualité des ressources d’eau douce. Des traces de produits agrochimiques, tels que les pesticides et les engrais, sont transportées par ruissellement de surface ou lixiviation, provoquant des effets directs ou indirects sur les organismes aquatiques. Se trouvant à la base des réseaux trophiques aquatiques, les micro-organismes sont des habitants indispensables dans les écosystèmes d’eau douce, où ils jouent également un rôle important pour les services écosystémiques en tant que propulseurs des cycles biogéochimiques. En faisant partie de l'écosystème, les communautés bactériennes sont susceptibles aux perturbations anthropiques croissantes qui se déroulent dans leurs milieux. Le but principal de cette thèse est d'étudier l'effet de perturbations agricoles simulées sur les bactéries d'eau douce par une approche expérimentale avec des réservoirs extérieurs (mésocosmes) et en utilisant le séquençage d’ADN à haut débit. Des mésocosmes ont été remplis de 1 000 litres d'eau provenant d'un lac bien préservé et, ensuite, ont été traités avec des pesticides largement utilisés au monde en combinaison avec des engrais. Les trois études présentées dans cette thèse explorent les réponses du bactérioplancton dans cette même expérience sous différents angles : la première (chapitre II) s'est concentrée sur les réponses écologiques des communautés bactériennes à de différentes combinaisons de produits agrochimiques; la deuxième (chapitre III) a examiné si les gènes de résistance aux antibiotiques pourraient changer le succès d'espèces soumises à une grave contamination par un herbicide et, finalement, la troisième (chapitre IV) a suivi les altérations évolutives parmi les espèces ayant des réponses écologiques similaires par rapport au traitement avec l’herbicide. En mettant l'accent sur la réaction des communautés exposées à un mélange de produits agrochimiques, le chapitre II complémente des études écotoxicologiques, qui se concentrent traditionnellement sur les réponses d'une seule espèce à des produits chimiques isolés. Les mésocosmes ont été exposés à de différentes concentrations d'un herbicide à base de glyphosate et d'un insecticide néonicotinoïde, séparés ou en combinaison, en plus d'apports faibles ou élevés en nutriments. Le séquençage des amplicons du gène de l'ARNr 16S et la prédiction des variantes de séquences ont étés faits pour étudier la diversité taxonomique, ainsi que le profilage de l'utilisation microbienne des sources de carbone pour décrire les changements de diversité fonctionnelle à travers le temps. Les résultats ont révélé que la stabilité des communautés microbiennes varie en fonction du type et de l'intensité de la perturbation. Bien que les communautés bactériennes n’aient pas réagi à l’introduction de l’insecticide ou d’engrais, elles sont modifiées de manière intensive sous des concentrations élevées de l'herbicide à base de glyphosate. Des aspects distincts de la diversité des communautés ont réagi différemment aux perturbations : alors que la composition fonctionnelle est restée stable face aux perturbations, la composition taxonomique au niveau taxonomique le plus fin a été sensible au glyphosate et résiliente aux échelles taxonomiques plus larges (c'est-à-dire, du genre au phylum). Ces résultats soulignent la complexité des réponses écologiques et fournissent des évidences de la redondance fonctionnelle concernant l'utilisation des sources de carbone dans les communautés microbiennes. Le chapitre III a testé l'hypothèse selon laquelle les gènes de résistance aux antibiotiques, en particulier les pompes d'efflux, favorisent la survie des bactéries en présence de l'herbicide à base de glyphosate. Cette hypothèse n'a été confirmée que par des études expérimentales en laboratoire avec des cultures bactériennes et plus récemment dans les microbiomes du sol. C'était donc la première fois que cette hypothèse a été testée dans un système aquatique. Au chapitre II, on a observé que l'herbicide à base de glyphosate favorisait la domination de nombreux taxons de l'embranchement des protéobactéries, dont Agrobacterium, un genre qui code pour l'enzyme cible du glyphosate appartenant à la classe des résistants. Cependant, d'autres espèces codant pour la classe de l'enzyme sensible au glyphosate étaient également favorisées, ce qui implique le rôle d'autres mécanismes de résistance. Dans le chapitre III, les analyses de métagénomes et des génomes assemblés par métagénomes ont révélé une augmentation de la fréquence de gènes de résistance aux antibiotiques après l'administration de fortes doses de l'herbicide. D’ailleurs, l'abondance relative des espèces présentes après qu’une forte dose de l'herbicide a été administrée était mieux prédite par la présence de gènes d'efflux d'antibiotiques dans leur génome que par la présence du gène codant pour l'enzyme résistante au glyphosate. Ces résultats renforcent les études récentes et contribuent aux premières évidences provenant des communautés bactériennes d'eau douce. L'objectif du chapitre IV était de vérifier si les bactéries ayant la même réponse écologique à la contamination par l'herbicide à base de glyphosate présenteraient également des réponses évolutives similaires. En plus, ce chapitre avait pour but de contribuer aux preuves expérimentales du modèle de l'écotype stable, un modèle proéminent sur l'évolution et l'origine de la diversité dans les espèces bactériennes. On a supposé que les espèces favorisées par l'herbicide subiraient des balayages sélectifs éliminant la variation génétique dans le génome, comme le prédit le modèle évolutif de l'écotype stable. Pour tester cette hypothèse, des polymorphismes nucléotidiques ont été quantifiés au sein des populations bactériennes au cours du temps dans 12 populations bien représentées dans le séquençage métagénomique qui a été fait dans le chapitre III. Contrairement à ce que l'on attendait, les populations écologiquement prospères ont montré une variété de réponses évolutives et la diversité n'a été supprimée que dans quelques-unes d'entre elles. Les résultats montrent que d'autres mécanismes évolutifs qui maintiennent la variation génétique, tels que des balayages sélectifs à l'échelle du gène plutôt qu’à l'échelle du génome, peuvent être plus souvent impliqués dans le succès des espèces qui survivent au stress anthropique. Mis ensemble, ces résultats soulignent la complexité des réponses bactériennes face à une perturbation anthropique au niveau des communautés, des populations, des gènes et des allèles. Les connaissances apportées par cette thèse peuvent améliorer les évaluations des risques de déversements accidentels en eau douce. Le changement permanent à des niveaux taxonomiques fins et la sélection croisée pour les gènes de résistance aux antibiotiques en présence de concentrations élevées d'herbicides indiquent des risques qui devraient être mieux compris par rapport à leur prédominance et les mécanismes qui les causent. D’ailleurs, la dynamique évolutive décrite ici sur une échelle de temps de courte durée fournit des données pour soutenir une importante théorie sur la différenciation et la spéciation bactériennes. / Agriculture intensification in the second half of the 20th century, particularly the use of agrochemicals within watersheds, has affected freshwater quality. Traces of agrochemicals, such as pesticides and fertilizers, reach freshwater systems through runoff or leaching, causing direct or indirect effects on aquatic organisms. Microorganisms are essential inhabitants of aquatic systems as they are at the foundation of food webs and play roles in ecosystem functioning as important drivers of biogeochemical cycles. By being part of the ecosystem, bacterial communities are subject to the increasing anthropogenic perturbations in their environment. The main objective of this thesis is to investigate the effect of simulated agricultural perturbations on freshwater bacteria through an experimental approach with outdoor tanks (mesocosms) and using high-throughput DNA sequencing. Mesocosms were filled with 1,000 L of water from a pristine freshwater lake and treated with widely used pesticides in combination with fertilizers. The three main studies in this thesis explored the bacterioplankton responses in this experiment through different angles: the first study (chapter II) focused on ecological responses to a combination of agrochemicals; the second (chapter III) explored how changes in antibiotic resistance genes could explain the ecological success of species facing severe herbicide contamination and the third study (chapter IV) tracked evolutionary changes among species with similar ecological responses to the herbicide treatment. Chapter II aimed to complement ecotoxicological studies, that traditionally focus on single species responses to individual chemicals, by focusing on communities exposed to a mixture of agrochemicals, as typically observed in nature. For that, the mesocosms were exposed to different concentrations of a glyphosate-based herbicide and a neonicotinoid insecticide, isolated or in combination, in addition to low or high nutrient inputs. Sequencing of 16S rRNA gene amplicons and inference of amplicon sequence variants were done to study taxonomic diversity, as well as profiling microbial use of carbon sources to describe functional diversity changes through time. The results revealed that the stability of microbial communities varies according to the type and intensity of the disturbance. The highest dose of the glyphosate-based herbicide was the major driver of ecological responses within bacterial communities, which were not altered by the insecticide nor by nutrient fertilization. Distinct aspects of community diversity responded differently to perturbation: while functional composition remained stable in face of disturbances, taxonomic composition was sensitive to glyphosate at the finest taxonomic level and resilient at higher taxonomic units (i.e. genus to phylum). These results highlight the complexity of ecological responses and provide evidence of functional redundancy regarding the use of carbon sources in these communities. Chapter III tested the hypothesis that antibiotic resistance genes, particularly efflux pumps, would favour bacterial survival in the presence of the glyphosate-based herbicide. This hypothesis has only been confirmed through experimental laboratory studies with bacterial cultures and more recently in soil microbiomes, it was thus the first time it was tested in an aquatic system. As observed in chapter II, glyphosate-based herbicide favoured the dominance of many taxa of the phylum Proteobacteria, including Agrobacterium, a genus that encodes the glyphosate-resistant target enzyme. However, other species encoding the glyphosate-sensitive version of the enzyme were also favoured, implying other resistance mechanisms. In chapter III, the analysis of metagenomes and metagenome-assembled genomes revealed an increased frequency of antibiotic resistance genes following high doses of the herbicide. Additionally, the relative abundance of species after a severe herbicide pulse was better predicted by the presence of antibiotic efflux genes in their genome than by the presence of the gene encoding the resistant glyphosate target enzyme. These results reinforce recent studies and contribute to the first evidence from freshwater bacterial communities. The goal of chapter IV was to test if bacteria with the same ecological response to the contamination with the glyphosate-based herbicide would also show similar evolutionary responses. Furthermore, this chapter aimed to contribute to experimental evidence to the stable ecotype model, a prominent model on the evolution and origin of diversity in bacterial species. If assumptions of the stable ecotype model were confirmed by the experiment, species favoured by the herbicide would experience selective sweeps purging genetic variation across the genome. To test this hypothesis, single nucleotide variants were quantified within bacterial populations over time in 12 populations well-represented in the metagenomic sequencing that was performed in chapter III. Differently than expected, ecologically successful populations showed a variety of evolutionary responses and diversity was purged only in a few of them. The results show that other evolutionary mechanisms that maintain genetic variation, such as gene-wide specific sweeps rather than genome-wide sweeps, may be more often involved in the success of species surviving anthropogenic stress. Together, these results highlight the complexity of bacterial responses in the face of an anthropogenic disturbance at the level of communities, populations, genes, and alleles. The knowledge provided by this thesis may improve assessments of the potential risks of accidental spills in freshwater. The permanent change at fine taxonomic levels and the cross-selection for antibiotic resistance genes in the presence of high concentrations of herbicide indicate risks that should be better understood regarding their predominance and causing mechanisms. Moreover, the evolutionary dynamics here described in a short-term time scale provide observational data to support a theoretical background on bacterial differentiation and speciation.

Les communautés bactériennes sont constituées d’un grand éventail d’espèces pouvant interagir entre elles dans des environnements spatialement hétérogènes tels que le sol, les plantes ou l'intestin humain. À quel point ces interactions stimulent ou entravent la diversité du microbiome demeure inconnu. Historiquement, deux hypothèses ont été proposées pour expliquer comment les interactions interespèces pourraient influencer la diversité. L’hypothèse ‘l’écologie contrôle’ (EC) prédit une relation négative, dans laquelle l'évolution ou la migration de nouvelles espèces est freinée à mesure que les niches se saturent. En revanche, l’hypothèse ‘la diversité engendre la diversité’ (DBD) prédit une relation positive, où la diversité existante favorise l'accumulation d'une plus grande diversité à travers des interactions telles que la construction de niche. De nombreuses études ont investigué ces modèles chez les vertébrés ou les plantes, et certaines les ont testés sur des bactéries en culture ; mais le modèle qui régit les communautés bactériennes naturelles demeure inconnu. En utilisant les données du gène ARN ribosomique 16S provenant d’un large éventail de microbiomes, j'ai montré une relation positive générale entre la diversité des taxons et la diversité des communautés de niveaux taxonomiques plus élevés. Cette observation est conforme à l’hypothèse du DBD, mais cette tendance positive plafonne à des niveaux élevés de diversité en raison des limites physiques de la niche. Ensuite, j'ai observé que le modèle DBD restait valide à une résolution plus fine, en analysant la variation génétique intra espèce dans les métagénomes des microbiomes intestinaux humains. Conformément au DBD, j'ai observé que le polymorphisme génétique ainsi que le nombre de souches intra espèces étaient positivement corrélés avec la diversité Shannon de la communauté. Dans le chapitre 3, j'ai examiné les interactions antagonistes entre V. cholerae et ses phages virulents et la manière dont ces interactions affectaient le cours de l’infection et la diversité génétique de V. cholerae chez les patients infectés. J'ai quantifié les abondances relatives de V. cholerae et des phages virulents associés dans plus de 300 métagénomes provenant de selles de patients atteints de choléra, tout en tenant compte de leur exposition aux antibiotiques. Les phages et les antibiotiques ont supprimé V. cholerae et ont été associés à une déshydratation légère chez les patients. J'ai également investigué les mécanismes de défense contre les phages dans V. cholerae et découvert que les éléments connus de résistance aux phages (integrative conjugative elements, ICEs) étaient associés à de faibles rapports phage: V. cholerae. J’ai pu montrer aussi que lorsque les ICEs ne sont pas détectés, la résistance aux phages semble être acquise par l’accumulation de mutations ponctuelles non synonymes. Mes résultats valident que les phages virulents sont un facteur qui protège contre le choléra tout en sélectionnant la résistance dans le génome de V. cholerae. / Bacterial communities harbor a broad range of species interacting within spatially heterogeneous environments such as soil, plants or the human gut. The extent to which these interactions drive or impede microbiome diversity is not well understood. Historically, two hypotheses have been suggested to explain how species interactions could influence diversity. The ‘Ecological Controls’ (EC) hypothesis predicts a negative relationship, where the evolution or migration of novel species is constrained as niches become filled. In contrast, the ‘Diversity Begets Diversity’ (DBD) hypothesis predicts a positive relationship, with existing diversity promoting the accumulation of further diversity via niche construction and other interactions. Many studies investigated these models in vertebrates or plants, some focused on cultured bacteria, but we still lack insights into how natural communities are assembled in the context of these two hypotheses. Using 16S RNA gene amplicon data across a broad range of microbiomes, I showed a general positive relationship between taxa diversity and community diversity at higher taxonomic levels, consistent with DBD. Due to niche’ limits, this positive trend plateaus at high levels of community diversity. Then, I found that DBD holds at a finer resolution by analyzing intra-species strain and nucleotide variation in sampled metagenomes from human gut microbiomes. Consistent with DBD, I observed that both intra-species polymorphism and strain number were positively correlated with community Shannon diversity. In Chapter 3, I investigated the antagonistic interactions between V. cholerae and its virulent phages and how these interactions affect the course of the infection and the within V. cholerae genetic diversity in natural infections. I quantified relative abundances of Vibrio cholerae (Vc) and associated phages in 300 metagenomes from cholera patients stool, while accounting for antibiotic exposure. Both phages and antibiotics suppressed V. cholerae and were inversely associated with severe dehydration. I also looked at V. cholerae phage-defense mechanisms and found that known phage-resistance elements (integrative conjugative elements, ICEs) were associated with lower phage:V. cholerae ratios. In the absence of detectable ICEs, phages selected for nonsynonymous point mutations in the V. cholerae genome. My findings validate that phages may protect against severe cholera while also selecting for resistance in the V. cholerae genome within infected patients.

Dans les écosystèmes forestiers pauvres en nutriments, les minéraux du sol constituent la principale source de nutriments inorganiques nécessaires à leur bon fonctionnement. Néanmoins ces nutriments ne sont pas directement accessibles aux racines des arbres. C'est l'action conjointe de facteurs abiotiques, comme le pH ou la circulation de l'eau, et biotiques comme les racines ou les microorganismes du sol dont les bactéries, qui vont conduire à l'altération de ces minéraux. A ce jour, nos connaissances sur les communautés bactériennes impliquées dans le processus d'altération et leur distribution dans des sols forestiers restent limitées, notamment à des habitats tels que la rhizosphère et la mycorhizosphère. Les objectifs de cette thèse étaient de caractériser les communautés bactériennes colonisant les minéraux du sol et leur aptitude à altérer les minéraux et enfin d'identifier les gènes bactériens impliqués. La combinaison d'approches cultivable, non cultivable et de biogéochimie sur des minéraux enterrés pendant 4 ans dans un sol forestier, a démontré que leur surface était colonisée par des communautés bactériennes spécifiques, capables d'altérer les minéraux et présentant des capacités métaboliques limitées, suggérant que ce support pourrait être considéré comme un habitat : la minéralosphère. La relation minéral/bactéries a été testée in situ via un amendement minéral sur une plantation et a mis en évidence l'impact de la disponibilité en nutriments sur la structuration des communautés bactériennes capables d'altérer les minéraux. L'étude génétique réalisée sur la souche modèle PML1(12) a révélé l'implication de plusieurs mécanismes dans la fonction altération / In nutrient-poor forest ecosystems, minerals are the main source of inorganic nutrients for the long lasting functioning of the forests. However, these nutrients are not directly accessible to the tree roots. It is the joined action of abiotic factors, such as pH and water circulation, and biotic factors such as tree roots and soil microorganisms, and notably bacteria, which leads to the solubilisation of these minerals. To date, our knowledge of the bacterial communities involved in the mineral weathering process and their distribution in forest soils is very limited and remains restricted to habitats such as the rhizosphere and mycorrhizosphere. The goals of this PhD thesis were to characterise the mineral associated bacterial communities, their ability to weather minerals and finally to identify the bacterial genes involved in the mineral weathering process. The combination of geochemical, cultivation-dependent and -independent approaches applied on minerals grounded in a forest soil during 4 years, revealed that the mineral associated bacterial communities were specific, able to weather minerals and had restricted metabolic abilities. These results suggest that minerals could be considered as a true ecological habitat: the mineralosphere. The mineral/bacteria relationship was tested in situ through a mineral amendment applied on a small-scale plantation, which has highlighted that the nutrient availability impacted the functional structure of the mineral weathering bacterial communities. At least, random mutagenesis applied on a model mineral weathering bacterial strain revealed that its mineral weathering ability resulted from several molecular mechanisms