L'îlot génomique pks code une machinerie de biosynthèse complexe synthétisant la colibactine, une génotoxine produite par certaines souches de Escherichia coli. Cette génotoxine induit des cassures double-brin de l'ADN sur les cellules eucaryotes in vitro et in vivo. La colibactine n'est pas une protéine, mais un métabolite secondaire de type polycétide/peptide non-ribosomal (PK/NRP). Des résultats préliminaires de l'équipe semblaient indiquer que certains gènes du core genome de E. coli seraient également impliqués dans la production de la colibactine. L'objectif de cette thèse était d'identifier les gènes non-essentiels de E. coli situés hors de l'îlot génomique pks impliqués dans la synthèse de colibactine, en construisant une banque de mutants par insertion de transposons. Ce criblage a permis d'identifier 29 gènes candidats, mais deux groupes de gènes ont été particulièrement étudiés dans la suite du projet : trois gènes codants des protéines chaperons, et trois gènes codant des enzymes impliquées dans le métabolisme des polyamines. Le premier projet a permis de montrer que la protéine chaperon HtpG (ou Hsp90Ec), homologue bactérien de la protéine de choc thermique eucaryote Hsp90, est requise pour la production de colibactine, mais aussi de yersiniabactine, un sidérophore (ou système bactérien de captation du fer) appartenant à la même famille chimique que la colibactine. De plus, la protéase ClpQ intervient de concert avec Hsp90Ec dans la production de colibactine et de yersiniabactine. Ces résultats confirment ainsi l'interconnexion entre la synthèse des deux facteurs de virulence de E. coli, la colibactine et la yersiniabactine. Enfin, l'analyse des effets de la mutation du gène htpG au cours d'une infection systémique chez l'animal, dans des modèles de sepsis et de méningite néonatale chez les rongeurs, démontre le rôle de la protéine de réponse au stress Hsp90Ec dans la virulence de E. coli. Le second projet a révélé que les polyamines sont impliquées dans la production de colibactine. L'étude du métabolisme des polyamines par une approche de microbiologie moléculaire a démontré que la spermidine est la polyamine nécessaire à la production de colibactine. Les résultats préliminaires de ce projet indiquent que la spermidine participerait à la régulation de l'expression de certains gènes de l'îlot génomique pks, et de fait modulerait la biosynthèse de colibactine. Des études complémentaires sont en cours pour élucider les mécanismes impliqués. Les résultats de cette thèse sont une illustration parfaite de l'intégration symbiotique d'un élément génétique mobile acquis au cours de l'évolution au sein du chromosome bactérien, grâce à plusieurs connexions bilatérales permettant la production de facteurs de virulence par E. coli. / The pks genomic island codes a complex biosynthetic assembly line that synthetizes the colibactin, a genotoxin produced by some strains of Escherichia coli. This genotoxin generates DNA double-strand breaks in eukaryotic cells both in vitro and in vivo. Colibactin is not a protein, but a secondary metabolite belonging to the chemical family of hybrid polyketide/nonribosomal peptide compounds. Preliminary results from our research team suggested that certain genes of the E. coli core genome (i.e. genes present in all strains of the species) could also be involved in the colibactin production. The main goal of this thesis was to identify non-essential E. coli genes located outside the pks island that are required for colibactin biosynthesis, with the screening of a transposon mutant library. This revealed 29 potential candidate genes, but the project focused specifically on two groups of genes: three genes encoding chaperone proteins, and three genes encoding enzymes involved in polyamines metabolism. The first project highlighted the role of the molecular chaperone HtpG (or Hsp90Ec), the bacterial homolog of eukaryotic heat shock protein 90, in the production of colibactin, but also yersiniabactin, a siderophore (i.e. a bacterial iron uptake system) that belongs to the same chemical family as colibactin. Furthermore, the ClpQ protease was involved in colibactin and yersiniabactin production in combination with Hsp90Ec. These results confirmed the interplay between the biosynthesis of two E. coli virulence factors, colibactin and yersiniabactin. Finally, analysis of the effects of htpG disruption during systemic infection in animals, using rodent models of sepsis and neonatal meningitis, demonstrated the role of the stress-responsive molecular chaperone Hsp90Ec in E. coli virulence. The second project revealed the involvement of polyamines in the biosynthesis of colibactin. A molecular microbiology approach demonstrated that spermidine was the polyamine required for colibactin production. Preliminary results suggested that spermidine could regulate the expression of some pks island genes, and therefore could modulate colibactin production. Further experiments are in progress to elucidate the molecular mechanisms involved in this regulation. Together, the results of this thesis perfectly illustrate the symbiotic integration of a mobile genetic element acquired during evolution into the bacterial chromosome, through several crosstalks allowing the production of virulence factors in E. coli.

Nous avons réalisé l'étude du complexe Fe/Quinolobactine (Fe/Q) qui a montré la nature tridentée de ce ligand qui forme un complexe ferrique de géométrie octaédrique très déformée. L'analyse du complexe du fer (ou gallium pris comme mime diamagnétique du fer) et de l'analogue Quinolobactine fluorée indique que seule l'espèce [M(Q)2] se forme à pH physiologique. Ce ligand tridenté peut être un sidérophore de secours efficace de Pseudomonas. D'autre part, nous avons abordé la synthèse d'une nouvelle classe d'antimétabolites potentiels dérivés de l'Entérobactine fondés sur des dérivés des acides boroniques notamment. Les résultats sont très encourageants, les acides boroniques et boriques se conjuguant bien au catéchol. L'intérêt de ces molécules en tant qu'antimétabolite devra être évalué sur des cultures de bactéries. La capacité que montre l'Entérobactine à « chélater » le bore a été mise à profit pour créer un « cheval de Troie » antibiotique potentiel dont les essais sur culture de bactéries devront montrer l'efficacité. Cette stratégie de conjugaison pourrait être élargie afin de cibler d'autres bactéries pathogènes. L'étude spectrophotométrique d'Oxinobactine dans le MeOH a également montré la forte affinité de ce ligand pour Fe3+ qui peut être comparable à celle de l'Entérobactine. Une perspective de synthèse pourrait être effectuée, visant à sulfoner les quinoléines, pour permettre l'augmentation de la solubilité de ce complexant en solution aqueuse, qui conduirait ensuite à réaliser des études physico-chimiques et biologiques très intéressantes.

Scedosporium apiospermum, pathogène émergent, colonise les voies respiratoires des patients mucoviscidosiques et provoque des infections sévères chez les patients immunodéprimés. Afin d'améliorer notre connaissance sur sa pathogénicité, nous avons étudié sa production en sidérophores. Après une production maximale en milieu de culture liquide déplété en fer et à pH alcalin, les sidérophores ont été récupérés du filtrat de culture par extraction liquide/liquide, et analysés par CLHP en phase inverse. Deux sidérophores, l'acide dimérumique (DMA) et le N-méthyl coprogène B (MCB), ont été identifiés grâce à de la spectrométrie de masse MSn par ionisation par électro-nébulisation. La comparaison des différentes souches fongiques a montré une production importante de MCB pour les isolats cliniques d'origine respiratoire. Après optimisation du protocole d'extraction, de nouveaux sidérophores ont été identifiés à partir d'autres champignons impliqués dans la mucoviscidose. Seul le MCB était présent chez S. apiospermum, constituant ainsi un marqueur de ce champignon. Ainsi, la détection de ce sidérophore dans les expectorations de malades atteints de mucoviscidose pourrait constituer une méthode de diagnostic des infections à S. apiospermum. Dans le but d'étudier plus précisément les mécanismes d'acquisition du fer par S. apiospermum, la synthèse du DMA et du MCB a été entreprise. Ces molécules contiennent respectivement deux à trois monomères de base, la fusarinine. C'est donc la synthèse de la de la fusarinine qui a été effectuée avec un rendement global de 2% en mettant en jeu une synthèse convergente à partir de l'ornithine protégée et du but-3-yn-1-ol.

Les sols agricoles sont depuis de nombreuses années contaminés directement par apports d'intrants (pesticides, fertilisants) mais également de façon indirecte en raison de la proximité de certaines installations industrielles. Notre étude porte sur des sols agricoles à l'aval de la vallée de la Thur (Haut-Rhin), polycontaminés par du chrome (488 mg/kg), du mercure (13 mg/kg) et du plomb (381 mg/kg). La phytoextraction est une méthode innovante, employée pour ses propriétés respectueuses de la vie biologique du sol et son faible coût. La faible disponibilité des métaux dans le sol (notamment Cr, Hg et Pb), et par conséquent le temps de décontamination, constitue la principale limite de cette technique. La bioaugmentation couplée à la phytoremédiation (rhizoremédiation) est une technique récente qui a été testée pour cette étude de façon à accroître la vitesse de phytoextraction. Les résultats ont montré que les microorganismes producteurs de sidérophores, notamment les Pseudomonas, étaient potentiellement intéressants pour augmenter la mobilité du chrome et du plomb dans le sol. La production de sidérophores par des cellules libres ou immobilisées de Pseudomonas cultivées en présence de divers substrats carbonés a été optimisée. L'immobilisation des microorganismes dans des billes d'alginate de calcium enrichies en lait écrémé a montré que les microorganismes étudiés produisaient plus de sidérophores en présence de métaux et que leur survie dans le sol était accrue. Les billes de Ca-alginate adsorbent plus de 90% de Cr, Fe et Pb ainsi que plus de 40% de Hg, ce qui diminue la toxicité métallique pour les cellules libres ou immobilisées, et crée également un déficit en Fe dans les billes, stimulant ainsi la production de sidérophores par les microorganismes. Les microorganismes sélectionnés ont ensuite été inoculés dans le sol contaminé, cultivé avec du maïs comme plante modèle. La bioaugmentation des pots de sol avec Pseudomonas aeruginosa co-immobilisé dans des billes de Ca-alginate avec du lait écrémé a permis de multiplier le prélèvement de Cr par les feuilles de maïs par 5,4 et celui du Pb par 3,8 par rapport aux pots non bioaugmentés. L'inoculation du sol enrichi en lait écrémé avec des cellules libres de R. metallidurans a permis d'augmenter le rélèvement foliaire de Cr par 5,2.

Pseudomonas aeruginosa est une bactérie à Gram-négatif, pathogène et opportuniste, responsable de nombreuses et sévères infections chez l’homme. Ce microorganisme comme la plupart des organismes vivants a besoin de fer pour sa croissance ainsi que d’autres métaux biologiques comme le zinc, le cuivre, le nickel, le manganèse, le cobalt, le molybdène, le vanadium et d’autres. Afin d’acquérir le fer P. aeruginosa produit deux sidérophores majeurs, la pyoverdine (PVD), souvent considérée comme sidérophore principal, et la pyochéline (PCH). Lors de cette thèse nous avons pu démontrer les enzymes de biosynthèse de ces sidérophores adoptent une organisation spécifique aux pôles des bactéries. De plus, l’étude de la composition en métaux de P. aeruginosa dans différentes conditions de cultures a pu démontrer que la bactérie adapte sa concentration intracellulaire en métaux selon la composition du milieu extracellulaire. / Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic Gram-negative pathogen. It is responsible for a wide range of human diseases. Iron is an essential element for this organism, like for nearly all other organisms. To a lower extent this organisms needs other metals such as zinc, copper,nickel, manganese and other for its survival. To acquire iron, P. aeruginosa secrets two major siderophores, pyoverdine (PVD) and pyochelin (PCH). During the thesis we have shown that the enzymes involved in the biosynthesis of theses siderophores adopt a specific localization at the bacterial cell poles. Furthermore, the study of the metal composition of P. aeruginosa in different growth conditions has shown that this bacterium is able to adaptits internal metal concentration to the extracellular metal availability.

La phase aqueuse de l’atmosphère et plus précisément les gouttelettes de nuage est un des milieux les plus concentrés et réactifs de l’atmosphère au sein duquel les composés présents peuvent subir de nombreuses transformations, principalement par voie photochimique. De plus, elle a la propriété d’être oxydante due à la présence d’espèces radicalaires telles qu’OH ou HO2 et de composés tels que le peroxyde d’hydrogène et le fer.La présence avérée de microorganismes métaboliquement actifs dans l’atmosphère a soulevé de nombreuses questions et plus récemment sur leur rôle dans les processus atmosphériques. Ces organismes pourraient modifier la composition des nuages en utilisant comme substrat les composés carbonés représentant une part importante des composés présents dans les nuages. De plus, ils sont suspectés de jouer un rôle dans la capacité oxydante des nuages en impactant des composés clés de la réactivité chimique tels que le fer ou le peroxyde d’hydrogène. L’objectif de ces travaux de thèse était de se focaliser sur les interactions des microorganismes avec deux espèces oxydantes de la phase aqueuse des nuages, le fer et le peroxyde d’hydrogène.Tout d’abord, un intérêt particulier a été porté au cycle du fer et à sa complexation dans les nuages, de nature encore très incertaine à ce jour. Dans l’idée d’apporter des premiers éléments de réponse quant à cette complexation, un large screening réalisé sur des microorganismes des nuages a été effectué afin d’évaluer leur capacité à produire des sidérophores. Les résultats obtenus suggèrent l’éventuelle présence de sidérophores dans les eaux de nuage comme molécules chélatantes du fer(III) ce qui pourrait impacter la chimie du fer dans la phase aqueuse des nuages.Il a ensuite été question de s’intéresser au peroxyde d’hydrogène. Dans une première approche, les paramètres et mécanismes responsables de la transformation biotique et abiotique de H2O2 dans les eaux de nuage ont été étudiés, ainsi que ses effets sur le métabolisme énergétique des microorganismes. Dans une deuxième approche, les modifications du métabolisme microbien face à H2O2 ont été approfondies à travers une approche métabolomique. Les résultats ont ainsi suggéré que le peroxyde d’hydrogène module fortement le métabolisme énergétique des microorganismes des nuages. Les microorganismes sont capables de gérer une condition de stress oxydant mais qu’en même temps ce stress induit une réorganisation de leur métabolisme. Il a également été montré que diverses voies métaboliques telles que le métabolisme des sucres, acides carboxyliques, lipides, acides aminés, peptide et glutathion sont impactées.Intégrer ces données biologiques dans des modèles de chimie atmosphérique pour améliorer la quantification de cette modulation sur la chimie atmosphérique apparait comme une des perspectives les plus importantes à envisager. Pour cela, des constantes cinétiques de biodégradation de quatre composés majeurs des nuages ont été déterminées. Les sorties du modèle nous permettront de mieux évaluer l’impact du métabolisme microbien sur la chimie des nuages. / The aqueous phase of the atmosphere and, more precisely, cloud droplets is one of the most reactive environments of the atmosphere within which the compounds present can be transformed especially by photochemical reactions. In addition, it contains many radical species such as HO, HO2, hydrogen peroxide or iron which explains its oxidizing power.The presence of metabolically active microorganisms in the atmosphere raised many questions and, currently, on their role in atmospheric processes. These organisms could modify the composition of clouds using carbon compounds as substrate that represented an important part of compounds present in clouds. They are also suspected to play a role in the oxidative capacity of clouds by impacting key compounds of chemical reactivity such as iron or hydrogen peroxide.The objective of this work was to focus on the interactions between cloud microorganisms and two oxidant species of clouds aqueous phase, iron and hydrogen peroxide.First, the cycling of iron and its complexation still very uncertain was studied. In order to provide responses we achieved a screening to evaluate the capacity of cloud microorganisms to produce siderophores. The results obtained suggest the possible presence of siderophores in cloud water as chelating molecules of iron (III) which could have a strong impact on iron chemistry in cloud aqueous phase.Then, we focused on hydrogen peroxide. The parameters and mechanisms responsible for the biotic and abiotic transformation of H2O2 in cloud water were studied, as well as its effects on energetic metabolism of microorganisms. The modifications of the microbial metabolism in the presence of H2O2 were pursued using metabolomics. The results suggest that H2O2 strongly modulate the energetic metabolism of cloud microorganisms. They are able to handle oxidative stress conditions but at the same time this stress induces a reorganization of their metabolism. Various metabolic pathways such as sugar, carboxylic acids, lipids, amino acids, peptide and glutathione metabolism are impacted.One of the important perspectives to consider is the integration of these biological data into atmospheric chemistry models in order to improve the quantification of this modulation on atmospheric chemistry. For this, biodegradation rate constants of four major compounds present in clouds were determined. The output will allow us to assess better the impact of microbial metabolism on clouds chemistry.

Au cours de notre travail de thèse, nous avons isolé la seconde espèce du genre Gemmata, Gemmata massiliana à partir de l'eau d'un réseau hospitalier. Nous avons étudié sa distribution dans deux réseaux hospitaliers à Marseille après avoir mis au point une PCR temps réel spécifique. Les échantillons d'eau filtrée recueillis dans l'unité de soins intensifs et des échantillons d'eau non-filtrée recueillis dans des fauteuils dentaires, des réservoirs et des points d'utilisation ont été testés. Au total, 2,2% des échantillons d'eau filtrée ont été positifs contre 11,3% des points d'eau non-filtrée, dont 14,1% des fauteuils dentaires, 5,9% des points d'utilisation et 8% des échantillons de réservoirs. Les patients hospitalisés peuvent être exposés à G. massiliana par l'intermédiaire de l'eau de l'hôpital. Le rôle des Gemmata comme pathogènes opportunistes méritait donc d'être exploré. Nous avons détecter de l'ADN de Planctomycetes dans 2 échantillons testés de sang de patients leucémiques, mais toutes les tentatives d'isolement ont échoué. Nous avons travaillé à améliorer les conditions de culture des Gemmata. Notre analyse du génome de G. obscuriglobus et de G. massiliana a indiqué l'absence de certains composants essentiels dans la voie du métabolisme du fer, les sidérophores et l'enzyme ferriréductase. La culture des Gemmata en présence du surnageant filtré d'Escherichia coli contenant les sidérophores et l'enzyme ferriréductase, améliorait significativement la croissance des Gemmata par rapport à la culture sur une gélose standard. L'amélioration des techniques de culture nous permettra par la suite de mieux aborder l'étude de pathogénicité. / During our thesis work, we isolated a second Gemmata species; Gemmata massiliana from a hospital water network in France. We studied its distribution in two hospitals water network in Marseille after developing a real-time PCR. Filtered water collected at the intensive care unit and non-filtered water collected from dental chairs, tanks and usage points were tested. In total, 2.2% filtered water samples tested positive versus 11.3% non-filtered points, including 14.1% dental chairs, 5.9% usage points and 8% tank specimens. We concluded that hospitalized patients may be exposed to G. massiliana through hospital water, especially the non-filtered water. The role of Gemmata as opportunistic pathogen deserved to be explored. Additionally, using 16S rRNA gene-based specific Planctomycetes primers, enabled us to detect DNA Planctomycetes in 2 of 100 blood samples tested of leukemic patients. In one of the positive specimens DNA of a Gemmata-related bacterium was detected, unfortunately all isolation attempts proved futile. Therefore, we worked at improving the Gemmata species culture conditions to optimize their isolation from clinical samples. Genome analysis indicated that Gemmata organisms do not encode some essential iron pathway components, siderophores and ferric reductase. On this basis, we have shown that culture of G. obscuriglobus and G. massiliana in the presence of Escherichia coli filtered supernatant containing siderophores and extracellular ferric reductase, significantly improved the two species growth compared to their culture on a standard agar. The improvement of Gemmata species culture techniques will allow us to better address the pathogenicity study.