Suite à la découverte des antibiotiques, les succès thérapeutiques ont laissé présager un avenir où les maladies infectieuses d’origine bactérienne seraient éradiquées. Cependant, en moins d’un siècle, l’utilisation massive des antibiotiques à large spectre a conduit à l’émergence de résistances réduisant ainsi les options thérapeutiques. Mon projet de recherche vise à comprendre les altérations métaboliques et morphologiques bactériennes induites précocement par les antibiotiques et à contribuer au développement de tests diagnostiques rapides et fiables pour favoriser la mise en place d’antibiothérapies plus ciblées. Grâce au suivi des modifications des divers paramètres métaboliques et morphologiques des bactéries après traitement aux antibiotiques, nous avons montré l’intérêt des marqueurs de viabilité tels que le DiBAC4(3), le TOPRO®-3 ou encore l’Alexa FluorTM Hydrazide pour la détection rapide (<3h) de la sensibilité des bactéries aux antibiotiques. Nous avons notamment montré, pour la première fois, que la carbonylation des protéines, qui est induite dans des conditions de stress oxydatif et de vieillissement cellulaire, est un marqueur précoce universel de la sensibilité aux antibiotiques bactéricides. Suite à cette première partie de l’étude, nous avons souhaité comprendre les mécanismes mis en jeu par les bactéries en réponse au stress létal causé pas les antibiotiques. Au cours de nos expériences, il a été observé que lorsque les conditions ne permettaient plus la survie de l’organisme, un signal de fluorescence intrinsèquement lié à la bactérie permettait de prédire l’issue fatale après seulement 2 heures d’incubation avec l’antibiotique. En effet, suite à un traitement avec un antibiotique bactéricide ciblant la synthèse du peptidoglycane bactérien (ampicilline), nous avons observé une fluorescence maximale des cellules à la dose d’antibiotique correspondant à la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI). L’augmentation de la fluorescence des cellules bactériennes a aussi été observé lors du traitement létal avec un agent biocide (hypochlorite de sodium). Cependant, ce phénomène n’est plus observable avec des antibiotiques bactériostatiques ou bactéricides qui inhibent la synthèse protéique indiquant l’importance d’un métabolisme bactérien actif. Les corrélations de propriétés spectrales nous ont permis de suspecter les molécules de flavines comme étant responsables du phénomène d’autofluorescence observé. De plus, nous avons montré une suractivation de la voie de biosynthèse des cofacteurs de type flavines et des flavoprotéines en présence d’ampicilline. Finalement, nous avons effectué des expériences de tri et de survie cellulaire de populations bactériennes traitées à l’ampicilline. Nos résultats ont montré que les cellules très fluorescentes ont une survie moyenne 5 fois supérieure aux cellules peu fluorescentes. Ceci suggère que le signal de fluorescence observé est une réponse cellulaire médiée par les composés flavonoïdes pour tenter de survivre au traitement antibiotique. Des travaux exploratoires suggèrent que le phénomène étudié chez les bactéries est conservé chez les levures et chez les cellules humaines. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension de la physiologie bactérienne, l’étude de la réponse bactérienne face à un stress exogène et la surveillance rapide de la viabilité des cellules. / Following the discovery of antibiotics, the therapeutic successes foreshadowed a future where infectious diseases of bacterial origin would be eradicated. However, in less than a century, the massive use of broad-spectrum antibiotics led to the emergence of resistance thus reducing therapeutic options. My research project aims to understand early bacterial metabolic and morphological changes induced by antibiotics and to contribute to the development of rapid and reliable diagnostic tests to promote the implementation of more targeted antibiotic treatments. By monitoring changes in various metabolic and morphological parameters of bacteria after antibiotic treatment, we have shown the interest of viability markers such as DiBAC4(3), TOPRO®-3 or Alexa FluorTM Hydrazide for rapid detection (<3h) of bacterial susceptibility to antibiotics. In particular, we have shown for the first time that protein carbonylation, which is induced under conditions of oxidative stress and cellular aging, is a universal early marker of bactericidal antibiotic susceptibility. Following this first part of the study, we wanted to understand the mechanisms involved in bacterial response to lethal stress caused by antibiotics. Following this first part of the study, we wanted to understand the bacterial mechanisms involved in response to lethal stress caused by antibiotics. In our experiments, it was observed that when the conditions no longer allowed the organism survival, a fluorescence signal intrinsically linked to the bacterium allowed to predict the fatal outcome after only 2 hours of incubation. Indeed, following a treatment with a bactericidal antibiotic targeting the synthesis of bacterial peptidoglycan (ampicillin), we observed a maximum fluorescence of the cells at the dose of antibiotic corresponding to the Minimum Inhibitory Concentration (MIC). The fluorescence increase of bacterial cells was also observed during the lethal treatment with a biocidal agent (sodium hypochlorite). However, this phenomenon is no longer observable with bacteriostatic or bactericidal antibiotics that inhibit protein synthesis indicating active bacterial metabolism importance. The correlations of spectral properties allowed us to suspect the flavin molecules as responsible for the observed autofluorescence phenomenon. In addition, we showed an overactivation of the biosynthesis pathway of flavin-type cofactors and flavoproteins occurring during ampicillin treatment. Finally, we performed cell sorting and cell survival experiments of ampicillin-treated bacterial populations. Our results showed that highly fluorescent cells have an average survival 5 times higher than low fluorescent cells. This suggests that the fluorescence signal observed is a cellular response mediated by flavonoid compounds in an attempt to survive to antibiotic treatment. Exploratory work suggests that the phenomenon studied in bacteria is conserved among yeasts and human cells. These results open new perspectives in bacterial physiology understanding, the study of bacterial response to exogenous stress and the rapid monitoring of cell viability.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2017USPCB078 |
| Date | 27 November 2017 |
| Creators | Surre, Jérémy |
| Contributors | Sorbonne Paris Cité, Matic, Ivan, Ramjeet, Mahendrasingh Kavi |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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