Titre de l'écran-titre (visionné le 31 octobre 2023) / Selon divers organismes de santé publique, la résistance aux antibiotiques représente un enjeu majeur de santé du XXIème siècle. Pour lutter contre ce phénomène, plusieurs acteurs mettent en place des procédures relatives à une utilisation stricte et adéquate des antibiotiques, que ce soit dans un cadre clinique ou dans la vie quotidienne. De plus, les méthodes diagnostiques actuelles des infections bactériennes présentent des limites de temps d'analyse, de spécificité et de coût pouvant entraîner des conséquences dans la mise en place d'un traitement efficace. Une autre solution pour lutter contre l'antibiorésistance consiste à développer des méthodes rapides et efficaces permettant le diagnostic des infections bactériennes. C'est dans cette optique que le laboratoire du Pr. Droit a mis en place en 2019 une stratégie combinant la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse (acquisitions à haute résolution) avec des algorithmes d'intelligence artificielle permettant l'identification de bactéries dans 10 millilitres d'urine dans le cas des infections urinaires. Le premier objectif de cette maîtrise était de transférer cette stratégie sur un instrument en spectrométrie de masse permettant des acquisitions à basse résolution pour son utilisation en routine dans les hôpitaux. Pour cela, nous avons simplifier le protocole de préparations d'échantillons en diminuant le volume d'urine utilisé (10mL à 1mL) dans le cas de l'identification de bactéries dans l'urine. Le deuxième objectif a consisté à adapter cette stratégie pour l'identification de bactérie dans le lait dans le cas de la mammite bovine. Ces travaux ont permis la mise en place d'une méthodologie expérimentale rapide (<5h) permettant : i) l'élimination de la matière grasse et des caséines dans le lait cru pouvant altérer le signal en spectrométrie de masse, ii) l'identification d'un grand nombre de peptides bactériens (500-1000) dans un temps d'analyse court (14 min) dans le lait permettant l'extraction d'une signature peptidique spécifique

Les bactéries du genre Flavobacterium sont retrouvées dans des types d’habitats très divers. Ce genre contient trois espèces ichtyopathogènes : columnare, branchiophilum et psychrophilum qui est responsable de pertes économiques importantes pour l’élevage des salmonidés. Un projet de séquençage et de comparaison des génomes de plusieurs flavobactéries pathogènes de poissons ainsi qu’isolées de différents environnements a été mis en place pour améliorer les connaissances sur ce genre. Les objectifs étaient l’identification des déterminants de virulence et la caractérisation de différents marqueurs moléculaires des traits phénotypiques associés à leur mode de vie. L’analyse des génomes de F. psychrophilum a permis de mettre en évidence une diversité des structures chromosomiques au sein de l’espèce et d’identifier des cibles moléculaires prometteuses pour le développement de tests de diagnostic ainsi que des cibles vaccinales potentielles. Le génome de F. branchiophilum a permis d’identifier des mécanismes moléculaires de virulence originaux. Les caractéristiques du génome de F. indicum révèlent un mode de vie environnemental : sa petite taille et ses faibles capacités de dégradation des bio-polymères suggèrent que F. indicum est adapté à une niche écologique restreinte. Ces nouvelles données ont permis de caractériser in silico des marqueurs moléculaires de caractères phénotypiques. En particulier, un groupe de gènes (dnd) rare et responsable d’une modification étonnante de la molécule d’ADN a été décrit pour la première fois chez les Flavobacteriaceae. Ce projet a permis d’enrichir les connaissances sur les bactéries du genre Flavobacterium et a contribué au développement d’outils pour la santé animale. / Flavobacterium species occur in a wide range of habitats. This genus includes three fish-pathogenic species, namely F. columnare, F. branchiophilum and F. psychrophilum. The latter is responsible for serious economic losses for salmonids farming in France and worlwide. A comparative genomics project including several fish-pathogenic flavobacteria as well as various environmental species has been set up in order to improve the knowledge on this poorly studied genus. Our aims were the identification of virulence determinants associated with pathogenicity and the characterization of various molecular elements reflecting phenotypes associated with their life-style. Analysis of the genomes of several F. psychrophilum isolates revealed the diversity of chromosomal structures within the species and identified in silico promising molecular targets for the development of diagnostic tests as well as potential vaccines targets. Analysis of the F. branchiophilum genome enabled to identify particular molecular virulence mechanisms. The features of the F. indicum genome reflected its environmental lifestyle : its small size and its limited bio-polymers degrading abilities suggested that F. indicum is adapted to a quite narrow ecological niche. These new data have allowed the in silico identification of many molecular elements reflecting phenotypic traits. In particular, a rare gene cluster (dnd) responsible for an unusual DNA structure modification was described for the first time within members of the family Flavobacteriaceae. This project enriched the knowledge on Flavobacterium species and contributed to the development of tools for animal health.

La production porcine utilisant des antibiotiques, il est primordial d'évaluer son impact sur la présence d'entérobactéries résistantes aux antibiotiques. L'objectif du projet était d'évaluer l'impact d'un traitement de chlortétracycline administré à des porcs trois semaines après le sevrage sur l'abondance des entérobactéries résistantes aux antibiotiques et sur leur contenu en gènes de résistance. Pour y répondre, 600 porcelets ont été séparés en deux groupes à l'entrée en pouponnière. Un groupe a reçu une alimentation supplémentée en chlortétracycline (660 mg/kg d'aliment) pendant 21 jours, alors que l'autre groupe a reçu une alimentation sans antibiotiques. Des échantillons de fèces et des frottis du groin ont été récoltés 16, 38, 45, 98 et 143 jours après le sevrage. Les entérobactéries totales ainsi que celles résistantes à la tétracycline, au cotrimoxazole ainsi qu'au céfotaxime ont été dénombrées. Un sous-ensemble d'entérobactéries a été isolé et testé pour sa susceptibilité à 24 antibiotiques. Le génome bactérien de certains isolats a été séquencé. L'abondance des entérobactéries totales ainsi que celles résistantes au cotrimoxazole étaient plus élevée 16 jours après le sevrage (P < 0,05). Les entérobactéries résistantes au céfotaxime étaient plus abondantes chez tous les porcs en engraissement (jours 98 et 143; P < 0,05). Le profil de résistance des isolats était différent selon le milieu de sélection et le type d'échantillon. Le contenu en gènes de résistance était similaire entre les deux groupes. Les gènes tetA et tetB étaient les déterminants de la résistance à la tétracycline les plus prévalent et ont été identifiés sur des plasmides à proximité d'autres gènes de résistance. L'administration de chlortétracycline en pouponnière n'a pas eu d'impact significatif, sauf pour l'abondance des entérobactéries fécales résistantes au céfotaxime en période de finition. Il est tout de même primordial d'utiliser tous les antibiotiques judicieusement en raison du potentiel de co-sélection de résistances. / Since swine industry uses antibiotics, it is primary to assess the impact of this use on the presence of antibiotic-resistant enterobacteria. The aim of this study was to evaluate the impact of a chlortetracycline treatment given to pigs three weeks after weaning on the abundance of enterobacteria and their antibiotic resistance genes content. To achieve this goal, 600 weaners were split into two groups when arriving in nursery. One group was fed, for 21 days, a diet supplemented with chlortetracycline (660 mg/kg of feed), while the other group received an antibiotic-free diet. Samples of feces and swabs of snouts were collected 16, 38, 45, 98 and 143 days after weaning. Total enterobacteria as well as tetracycline-, co-trimoxazole- and cefotaxime-resistant enterobacteria from samples were counted. A subset of enterobacteria was isolated and tested for its susceptibility to 24 antibiotics. Some of those enterobacteria isolates were whole-genome sequenced. Abundance of total enterobacteria as well as co-trimoxazole-resistant enterobacteria was higher 16 days after weaning (P < 0.05). Cefotaxime-resistant enterobacteria were more abundant for all pigs in fattening (days 98 and 143; P < 0.05). Antibiotic resistance profiles of the isolates were different according to the selection medium used and the sample type. The content of antibiotic resistance genes was similar between both groups. tetA and tetB genes were the most prevalent determinants for tetracycline resistance and were identified on plasmids near other antibiotic resistance genes. The administration of in-feed chlortetracycline in nursery pigs did not have a significant impact, except for the abundance of fecal cefotaxime-resistant enterobacteria found in finishing phase. It is still primary to use all antibiotics wisely since there are risks for co-selection of resistance.

Les Campylobacter spp. représentent la plus grande cause de diarrhée bactérienne à travers le monde avec un coût économique élevé. Les méthodes phénotypiques utilisées au laboratoire de microbiologie médicale sont longues, ne différencient que Campylobacter jejuni des autres Campylobacter spp. et ne distinguent pas entre elles les deux sous-espèces de Campylobacter jejuni. Le développement de tests moléculaires capables de pallier à ces déficiences est donc important dans une perspective épidémiologique. Ce travail de recherche avait pour but de développer un essai PCR multiplex tuf-napA pour l’identification de Campylobacter jejuni au niveau de ses deux sous-espèces et de Campylobacter coli. Ce multiplex a ensuite été appliqué aux isolats de Campylobacter spp. du CHUL au CHUQ pour la période d’étude de janvier 2007 à janvier 2010 afin de définir l’épidémiologie moléculaire à l’hôpital. La capacité du gène tuf à servir comme gène cible pour discriminer les Campylobacter spp. a été établie ici pour la première fois. / Campylobacter spp. are the leading cause of bacterial diarrhea worldwide with a high economic cost. The phenotypic methods used in medical microbiology laboratories are time-consuming, differentiate only Campylobacter jejuni from other Campylobacter spp. and do not distinguish between the two subspecies of Campylobacter jejuni. The development of molecular tests able to overcome these deficiencies is important from an epidemiological perspective. This research concentrates on the development of a PCR assay tuf-napA multiplex for the identification of Campylobacter jejuni at the level of its two sub-species as well as Campylobacter coli. This multiplex was then applied to Campylobacter spp. isolates at the CHUL of CHUQ for the study period from January 2007 to January 2010 to define the molecular epidemiology in the hospital. The ability of tuf gene to serve as target gene for discriminating Campylobacter spp. was established here for the first time.

La production porcine utilisant des antibiotiques, il est primordial d'évaluer son impact sur la présence d'entérobactéries résistantes aux antibiotiques. L'objectif du projet était d'évaluer l'impact d'un traitement de chlortétracycline administré à des porcs trois semaines après le sevrage sur l'abondance des entérobactéries résistantes aux antibiotiques et sur leur contenu en gènes de résistance. Pour y répondre, 600 porcelets ont été séparés en deux groupes à l'entrée en pouponnière. Un groupe a reçu une alimentation supplémentée en chlortétracycline (660 mg/kg d'aliment) pendant 21 jours, alors que l'autre groupe a reçu une alimentation sans antibiotiques. Des échantillons de fèces et des frottis du groin ont été récoltés 16, 38, 45, 98 et 143 jours après le sevrage. Les entérobactéries totales ainsi que celles résistantes à la tétracycline, au cotrimoxazole ainsi qu'au céfotaxime ont été dénombrées. Un sous-ensemble d'entérobactéries a été isolé et testé pour sa susceptibilité à 24 antibiotiques. Le génome bactérien de certains isolats a été séquencé. L'abondance des entérobactéries totales ainsi que celles résistantes au cotrimoxazole étaient plus élevée 16 jours après le sevrage (P < 0,05). Les entérobactéries résistantes au céfotaxime étaient plus abondantes chez tous les porcs en engraissement (jours 98 et 143; P < 0,05). Le profil de résistance des isolats était différent selon le milieu de sélection et le type d'échantillon. Le contenu en gènes de résistance était similaire entre les deux groupes. Les gènes tetA et tetB étaient les déterminants de la résistance à la tétracycline les plus prévalent et ont été identifiés sur des plasmides à proximité d'autres gènes de résistance. L'administration de chlortétracycline en pouponnière n'a pas eu d'impact significatif, sauf pour l'abondance des entérobactéries fécales résistantes au céfotaxime en période de finition. Il est tout de même primordial d'utiliser tous les antibiotiques judicieusement en raison du potentiel de co-sélection de résistances. / Since swine industry uses antibiotics, it is primary to assess the impact of this use on the presence of antibiotic-resistant enterobacteria. The aim of this study was to evaluate the impact of a chlortetracycline treatment given to pigs three weeks after weaning on the abundance of enterobacteria and their antibiotic resistance genes content. To achieve this goal, 600 weaners were split into two groups when arriving in nursery. One group was fed, for 21 days, a diet supplemented with chlortetracycline (660 mg/kg of feed), while the other group received an antibiotic-free diet. Samples of feces and swabs of snouts were collected 16, 38, 45, 98 and 143 days after weaning. Total enterobacteria as well as tetracycline-, co-trimoxazole- and cefotaxime-resistant enterobacteria from samples were counted. A subset of enterobacteria was isolated and tested for its susceptibility to 24 antibiotics. Some of those enterobacteria isolates were whole-genome sequenced. Abundance of total enterobacteria as well as co-trimoxazole-resistant enterobacteria was higher 16 days after weaning (P < 0.05). Cefotaxime-resistant enterobacteria were more abundant for all pigs in fattening (days 98 and 143; P < 0.05). Antibiotic resistance profiles of the isolates were different according to the selection medium used and the sample type. The content of antibiotic resistance genes was similar between both groups. tetA and tetB genes were the most prevalent determinants for tetracycline resistance and were identified on plasmids near other antibiotic resistance genes. The administration of in-feed chlortetracycline in nursery pigs did not have a significant impact, except for the abundance of fecal cefotaxime-resistant enterobacteria found in finishing phase. It is still primary to use all antibiotics wisely since there are risks for co-selection of resistance.

Aeromonas salmonicida sous-espèce salmonicida, une bactérie pathogène infectant les poissons, cause une maladie nommée la furonculose qui est traitée par antibiotique. À cause des résistances aux antibiotiques, ceux-ci ne sont plus aussi efficaces. Comme les tests d'antibiogrammes nécessitent sept jours, une PCR multiplex ciblant les gènes de résistance aux antibiotiques homologués (sulfonamides et triméthoprime, tétracyclines, chloramphénicols) permettrait de détecter rapidement ces résistances. Suite à la caractérisation de séquences génomiques et l'optimisation de PCR multiplex, plusieurs souches d’A. salmonicida sous-espèce salmonicida ont été testées et leurs résultats ont été comparés avec ceux obtenus par les tests d'antibiogrammes. Il en ressort que la trousse développée est très performante voire plus que les tests d'antibiogrammes pour détecter les résistances aux sulfonamides, tétracyclines et chloramphénicols tout en étant plus rapide. Une connaissance plus approfondie sur les résistances aux sulfonamides et triméthoprime demeure d’actualité puis l'amélioration de la trousse diagnostique est à envisager. / Aeromonas salmonicida subspecies salmonicida, a pathogenic bacterium that infects fish, causes a disease named furunculosis, which is treated with antibiotics. The latters are not as effective because of antibiotic resistances. As the susceptibility tests require seven days, a multiplex PCR targeting the genes coding resistances against homologated antibiotics (sulfonamides and trimethoprim, tetracyclines, chloramphenicols) would detect resistance rapidly. Following the characterization of genomic sequences and optimization of multiplex PCR, several strains of A. salmonicida subspecies salmonicida were tested and the results were compared with those obtained by the susceptibility tests. It shows that the kit is highly efficient even more rapidly than the susceptibility tests to detect resistance to sulfonamides, tetracyclines and chloramphenicols while being faster. A deeper knowledge about sulfonamides and trimethoprim resistance and the improvement of the diagnostic kit should be considered.

L’évolution de l’industrie porcine québécoise et canadienne caractérisée par une densification des troupeaux a, dans les dernières décennies, mené à une augmentation du confinement dans les bâtiments d’élevage. Les éleveurs de carrières occupent ces bâtiments pour une partie considérable de leur journée de travail, s’exposant ainsi à cet environnement confiné. Les porcheries sont reconnues comme étant des environnements fortement contaminés en poussières et bioaérosols. De plus, des effets néfastes sur la santé des occupants sont soupçonnés dans ces nouveaux bâtiments. Cette étude vise à détecter la présence et à quantifier six pathogènes humains, à mesurer la concentration en poussières et à détecter la présence de gènes de résistance d’importance en médecine humaine dans l’air des porcheries du Québec. Pour ce faire, dix porcheries québécoises ont été visitées et des échantillons d’air ont été prélevés dans chacune d’elle. Les six pathogènes à l’étude ont été investigués par des méthodes traditionnelles de culture et par biologie moléculaire. La concentration des poussières et suspension a été mesurée par gravimétrie ainsi que par lecture directe du diamètre aérodynamique de ces dernières. Les gènes de résistance ont été détectés par biologie moléculaire. Les résultats obtenus renforcent l’hypothèse que les porcheries en environnements tempérés comme celles du Québec et du Canada abritent de fortes concentrations en bioaérosols pouvant potentiellement avoir des effets néfastes sur la santé des travailleurs agricoles. / Changes in the swine industry of the Province of Quebec and Canada characterized by larger herds as lead to an increase in confinement levels inside pig buildings. Swine workers occupy these buildings several hours per day, exposing themselves to this confined environment. Pig buildings are environments well known to be heavily contaminated by dust and bioaerosols. Moreover, adverse effects on the health of the occupants are suspected. The present study aims at detecting and quantifying six human pathogens, measuring airborne dust concentrations, and detecting resistance genes of medical importance in the air of swine confinement buildings in the Province of Quebec. To do so, ten pig buildings were visited and air samples were collected in each of them. Human pathogens were investigated using classic culture methods as well as molecular biology. Airborne dust concentrations were calculated using gravimetric methods and a direct measurement of the aerodynamic diameter or particles. Resistance genes were detected by molecular biology. Results obtained during this study reinforce the hypothesis that swine confinement buildings in temperate environments such as the Province of Quebec host high concentrations of bioaerosols which can potentially have adverse effects on the workers’ health.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2008-2009 / La résistance aux antibiotiques chez les bactéries pathogènes représente un obstacle majeur dans notre bataille contre les maladies infectieuses. La cause principale est la production par les bactéries de β-lactamases, des enzymes capables de cliver les antibiotiques à noyau β-lactame. TEM-1 est la β-lactamase la plus fréquemment en cause et elle est la source prédominante de résistance aux pénicillines et céphalosporines. Bien que cette protéine soit très étudiée, certaines subtilités de son mécanisme d’action demeurent incomprises. Cette thèse présente les résultats obtenus de sa caractérisation par RMN. Nous avons effectué l’attribution des déplacements chimiques des résonances des atomes de cette protéine qui compte 263 résidus (28,9 kDa). Comme l’analyse de la dynamique interne des enzymes est essentielle à la compréhension des processus impliqués dans leurs mécanismes d’action, nous avons étudié les propriétés dynamiques de TEM-1. Les données expérimentales enregistrées (R1, R2 et NOE {¹H}-15N) nous ont permis de calculer les paramètres caractérisant les mouvements internes de la protéine. Nos résultats mettent en évidence l’extrême rigidité de TEM-1 sur l’échelle de temps des picosecondes-nanosecondes. Par ailleurs, nous avons observé la présence de mouvements lents (μs-ms) affectant la relaxation de résidus présents dans la boucle Ω ainsi que dans le site actif. La détermination de la structure de TEM-1 en solution nous a fourni d’autres indices de la présence de ces mouvements qui sont probablement impliqués dans la catalyse. Comme il a été proposé que la Tyr105 ait un rôle à jouer dans la reconnaissance et la fixation des substrats chez TEM-1, nous avons étudié les effets de différentes mutations de ce résidu par RMN. Nos résultats indiquent que l’environnement ainsi que les mouvements de plusieurs autres résidus ont été altérés suite à ces mutations. Comme certains de ces résidus sont éloignés du site actif, nous croyons que des mouvements concertés entre les résidus situés à proximité et ceux éloignés du site actif puissent jouer un rôle important pour la fonction de TEM-1. Ces travaux apportent de toutes nouvelles données sur TEM-1 et possiblement sur les autres β-lactamases de classe A, contribuant ainsi significativement à l’amélioration des connaissances dans le domaine de la résistance aux antibiotiques. / Antibiotic resistance in pathogenic bacteria represents a major obstruction in our struggle against infectious diseases. The main cause of this resistance is the production by bacteria of enzymes called β-lactamases which possess the ability to hydrolyse the amide bond of β lactam antibiotics. TEM-1 β-lactamase is the most frequently implicated and is the major source of resistance to penicillins and cephalosporins. Although being extensively studied, subtleties in the mechanism of action of this protein remain misunderstood. This thesis presents the results obtained from TEM-1 characterisation by NMR. We carried out resonance assignment for this 263 residues protein (28.9 kDa). As the analysis of internal dynamics of enzymes is essential for the understanding of processes implicated in their mechanism of action, we studied the dynamic properties of TEM-1. Experimental data (R1, R2, and {¹H}-15N-NOE) allowed us to characterize internal motions. Our results highlight the extreme rigidity of TEM-1 on the picosecond to nanosecond timescale. In addition, we observed the presence of slow motions (μs-ms) affecting the relaxation of residues located in the Ω-loop and in the vicinity of the active site. Elucidation of TEM-1’s 3-D structure in solution provided us with additional evidences of the presence of these movements which may be involved in catalysis. As it was proposed that Tyr105 could play a role in substrate recognition and binding in TEM-1, we studied the effects of several mutations at this position. Our results indicate that the environment as well as motions of several other residues were affected by these changes. As some of these residues are far from the active site, we believe that concerted motions between residues located in the vicinity and those further from the active site can play an important functional role in TEM-1. This work brings new data on TEM-1 and possibly on other class A β-lactamases, thus contributing significantly to the improvement of knowledge in the domain of antibiotic resistance.

Cette thèse de doctorat présente quatre études portant sur la détection des agents bactériens aéroportés associés au bioterrorisme. Tout d’abord, un rappel historique des guerres biologiques et du bioterrorisme permettra de mieux comprendre cette menace. Pour cibler la problématique actuelle, les agents biologiques, les procédures d’intervention des organisations de sécurité et de santé publique ainsi que les méthodes de détection seront ensuite introduites. La capacité de détection rapide des agents biologiques est une des lacunes importantes des procédures d’intervention. La détection et l’identification de ces agents biologiques nécessitent plusieurs étapes critiques interreliées. Elles consistent en l’échantillonnage, la préparation des analytes contenues dans des matrices complexes et finalement l’identification du micro-organisme en décodant des macromolécules signatures, et ce, notamment par des méthodes génotypiques. Certaines particules peuvent potentiellement être employées pour la préparation d’armes biologiques aéroportées. De plus, des poudres inoffensives (p. ex., farine) peuvent être utilisées pour terroriser certains individus, des organisations ou la population. Ces composés peuvent toutefois interférer avec les méthodes de détection moléculaire. C’est pourquoi la première étude traite de l’interférence sur la détection par la PCR de 23 échantillons poudreux ou environnementaux autres. Cet article présente une méthode séparant des spores de Bacillus de matrices poudreuses afin d’enlever ces particules nuisibles à la détection. La procédure conceptualisée est simple d’exécution (10 étapes), rapide (≤ 10 minutes), peu coûteuse (~ 10 $) et permet de traiter une plus grande variété d’échantillons par rapport à l’art antérieur. En second lieu, une lyse de spores bactériennes basée sur la sonication rapide (45 secondes) a permis d’extraire l’ADN génomique avec des rendements comparables à une autre méthode de lyse commercialisée performante nécessitant cinq minutes. Le Module fluidique de lyse ultrasonique a été confectionné pour être décontaminé et transféré d’une zone contaminée à une zone sécurisée, ce qui est un avantage important dans le contexte du bioterrorisme. Le troisième projet concerne le développement d’un essai de détection basé sur l’amplification PCR de type large spectre du gène tuf et l’identification sur biopuce de séquences d’ADN signatures grâce à une hybridation en microfluidique. Cet essai a permis de détecter rapidement (75 minutes) 12 des 13 agents bactériens aéroportés associés au bioterrorisme listés par les CDC. Finalement, les analyses de séquences du gène cible, tuf, chez le genre Yersinia, ont montré un haut niveau de divergence entre les gènes dupliqués intragénomiques, tufA et tufB (8,3 à 16,2 %). Ce résultat inattendu pourrait montrer les circonstances particulières permettant à des gènes dupliqués d’acquérir de nouvelles fonctions. De plus, cette étude a permis de faire une analyse phylogénétique de 14 des 17 espèces décrites du genre Yersinia et d’apporter des informations sur leur classification taxonomique. Prochainement, il serait intéressant de juxtaposer les différentes étapes de détection des agents biologiques présentées ici dans un système intégré d’analyse totale. Par conséquent, l’automatisation pourrait faciliter leur utilisation sur le terrain pour détecter et identifier rapidement (~1 h) des agents biologiques associés au bioterrorisme permettant de prendre en charge les victimes plus efficacement et de contribuer à enrayer la propagation. / This doctoral thesis presents four studies regarding the detection of airborne bacterial biothreat agents. First of all, a historical review of biological warfare and bioterrorism will allow for better understanding of this threat. To focus on the current problematic, biological agents, intervention procedures of public security and health organisations, as well as detection methods will then be introduced. The lack of systems for the reliable and rapid detection of biological agents is an important limitation of intervention procedures. Many interrelated steps are required to detect and identify biological agents. They consist of sampling, sample matrix processing, and finally, microbial identification by decoding macromolecule signatures, notably using genotyping methods. Some particles potentially employed to produce airborne biological weapons could interfere with molecular detection methods. Moreover, inoffensive powders (e.g. flour) can be used as hoaxes to terrorise individuals, organisations, or the population. Therefore, the first article studied the interference on PCR detection of 23 powdery or other environmental samples. This study presents a method to separate Bacillus spores from powdery matrices to alleviate the impact of these interfering compounds. The developed procedure is fast (≤10 minutes), inexpensive (~ 10$), allows easy handling (10 steps) and treatment of a wider sample variety compared to prior art. Secondly, a bacterial spore lysis based on rapid sonication (45 seconds) allowed extraction of genomic DNA in yields comparable to a robust commercialised lysis procedure requiring 5 minutes. The Fluidic Ultrasonic Lysis Module can be decontaminated and transferred from a contaminated to a secured area, which is advantageous in the context of bioterrorism. The third project shows the development of a detection assay based on a bacterial broad-spectrum PCR amplification of the target gene tuf and the identification of signature DNA sequences using a microfluidic microarray system. This assay allowed the rapid (75 minutes) detection of 12 of the 13 airborne bacterial biothreat agents listed by the CDC. Finally, analyses of tuf gene sequences from the Yersinia genus showed a high level of divergence between intra-genomic tufA and tufB sequences (8.3 to 16.2 %). This unexpected result could reveal particular circumstances allowing duplicated genes to acquire new functions. Moreover, this study allowed a phylogenetic analysis of 14 of the 17 described Yersinia species and added information about their taxonomical classification. In the near future, it would be interesting to combine the different biothreat detection steps presented here into a total analysis system. Hence, automation could facilitate its utilisation in the field to detect and identify (~1 h) biothreat agents resulting in more efficient medical management of victims and contribute to stop propagation.

Le microbiote intestinal humain est un important réservoir de gènes de résistance aux antibiotiques qui demeure toutefois méconnu. Dans cette étude, nous avons exploré les gènes de résistance du microbiote intestinal de participants sains avant et après une exposition à l’antibiotique cefprozil. Trois approches ont été utilisées pour caractériser ces gènes et examiner leur altération par les antimicrobiens : la métagénomique, la culturomique et la sélectomique recombinante. Le séquençage métagénomique et la culturomique ont permis d’identifier plusieurs gènes de résistance aux β-lactamines et à d’autres antibiotiques. Cependant, la culturomique a permis d’identifier ces gènes chez un plus grand nombre de participants. La culturomique a mis en évidence la présence de gènes de résistance à la vancomycine de type vanD dans les microbiotes de 46% des participants comparativement à 8% avec le séquençage métagénomique. La culturomique a aussi montré que l’exposition in vitro et in vivo à une β-lactamine stimule l’émergence des gènes vanD. La sélectomique recombinante, qui repose sur la construction de banques d’expression à partir de l’ADN des bactéries, a été utilisée pour caractériser de manière fonctionnelle les gènes de résistance aux β-lactamines chez les bactéries cultivables de l’intestin. Elle a permis d’identifier et caractériser cinq β-lactamases différentes dont deux montrant une activité à spectre étendu. La majorité des gènes de β-lactamases étaient associés à d’autres gènes de résistance et/ou des éléments mobiles. Ces travaux ont montré que la culture favorise l’identification de gènes non détectés par le séquençage métagénomique et que la sélectomique recombinante est un outil puissant pour caractériser les fonctions des gènes. Cette étude a aussi révélé que la prise d’une β-lactamine communément utilisée peut influencer l’abondance des bactéries qui contiennent des gènes de résistance à un antibiotique d’une autre classe, comme la vancomycine, un antibiotique de dernier recours dans l’arsenal des antimicrobiens. / The human intestinal microbiota is an important and poorly known antibiotic resistance genes reservoir. In this study, we explored resistance genes from the microbiota of healthy volunteers before and after exposure to the β-lactam cefprozil antibiotic. Three approaches were used to characterise resistance genes in the human microbiota and examine alteration by antimicrobials: metagenomics, culturomics and recombinant selectomics. Metagenomic and culturomic sequencing of intestinal microbiota enabled identification of several genes for resistance to β-lactams and other antibiotics. However, culturomics allowed identification of these genes in more participants than metagenomics. Culturomics highlighted the presence of the clinically important vancomycin resistance vanD-like genes in the microbiota of about 46% of participants compared to 8% with metagenomics. Culturomics also showed that in vitro and in vivo β-lactams exposition stimulates the emergence of vanD genes. Recombinant selectomics, which is based on the construction of expression libraries made with bacterial DNA, was also used to functionally characterise β-lactam resistance genes from the cultivable intestinal bacteria. It allowed identification and characterisation of five different β-lactamases including two with an extended-spectrum activity. The majority of β-lactamases genes was associated with other resistance genes and/or mobile elements. This study demonstrated that culture favors the identification of genes undetected by direct metagenomic sequencing and selectomics was a powerful tool to characterise gene functions. It also demonstrated that intake of a commonly used antibiotic of the β-lactam family can influence the abundance of bacteria containing resistance genes to an antibiotic from another class, such as vancomycin, which is a last resort antibiotic.