Les biofilms sont largement répandus dans la plupart des écosystèmes terrestres. Ils peuvent être formés par la plupart des microorganismes. Dans le cadre de cette thèse, les biofilms bactériens, plus spécifiquement ceux formés par la bactérie Pseudomonas sp. CT07, ont été étudiés. Ils ont plusieurs rôles, utiles ou nuisibles, pour la santé humaine, l’agriculture et l’industrie. Contrairement aux bactéries planctoniques qui peuvent nager librement, les bactéries sessiles s’attachent aux surfaces où elles peuvent former des biofilms. Pendant ce processus, elles produisent une matrice extracellulaire faite de, mais pas exclusivement, polysaccharides, de protéines, d’ADN et d’ARN. Les propriétés mécaniques de la matrice rendent le biofilm très résilient à son environnement. Elle est viscoélastique et les bactéries peuvent modifier de manière dynamique les propriétés mécaniques du biofilm. La grande variété de groupements fonctionnels disponibles grâce aux différentes biomolécules qui sont présentes dans la matrice permettent de piéger des molécules organiques et les ions dissous. Cela est responsable de plusieurs mécanismes de résistance bactérienne aux antibiotiques. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir de nouvelles méthodologies analytiques pour étudier les biofilms et obtenir plus d’informations sur leur structure et ce qui peut les influencer. La spectroscopie infrarouge et la microscopie optique ont été utilisées dans des canaux microfluidiques pour suivre la croissance des biofilms. La combinaison des deux techniques permet l’obtention d’informations sur la composition en différentes biomacromolécules et sur la structure du biofilm. Ces méthodes ont permis d’évaluer l’efficacité de l’inoculation directe et de l’inoculation par un biofilm en amont. L’utilisation de microcanaux avec un faible rapport d’aspect a conduit en des différences importantes dans les conditions hydrodynamiques entre le centre du microcanal et ses coins. Dans cette configuration, les biofilms ont tendance à croître à partir des murs de côté qui sont plus courts. À cet endroit, les forces de cisaillement sont les plus faibles. La microscopie confocale intermittente montre la présence de canaux d’eau exempts de bactéries à l’intérieur d’un biofilmà proximité du coin du microcanal. Nous émettons l’hypothèse que ce canal a un rôle important dans le transfert de masse à l’intérieur du biofilm lorsqu’il devient plus épais. Lorsque les biofilms des bactéries Pseudomonas croissent, leur structure peut être influencée par le type de milieu de culture. Les biofilms croissant dans les milieux complexes obtenus à partir d’extraits de levure peuvent former des structures allongées nommées streamers qui ont été analysées par microscopie confocale à balayage laser. L’imagerie en trois dimensions de ces structures dans des microcanaux droits est rapportée pour la première fois. Dans un milieu de culture minimal avec le citrate de sodium comme seule source de carbone, nous avons observé et quantifié des patrons fractals à la base du biofilm dans le temps. Nous avons aussi conçu un dispositif microfluidique pour l’étude in situ par spectroscopie Raman exaltée par les surfaces (SERS). Cette méthode permet d’avoir un signal Raman rehaussé et une sensibilité élevée pour le citrate de sodium, une source de carbone commune pour les bactéries, à faible concentration. Les différentes méthodologies développées dans le cadre de cette thèse peuvent être appliquées à d’autre systèmes plus complexes dans le futur. La combinaison de la microfluidique pour le contrôle précis de l’écoulement ainsi que les mesures multiplexées dans des microcanaux en parallèle est la clé pour obtenir des indices importants et statistiquement pertinents sur la croissance des biofilms et les méthodes pour les contrôler. / Biofilms are widely spread among most of earth ecosystems. They can be formed by a variety of microorganisms. In the scope of this thesis, bacterial biofilms, more specifically those formed by the bacterium Pseudomonas sp. CT07, have been studied. They have many roles, useful and harmful, for the human health, agriculture and industry. As opposed to planktonic bacteria that can swim freely, sessile bacteria are attached to surfaces where they can form biofilms. During this process, they produce an extracellular matrix made of, but not exclusively, polysaccharides, proteins, DNA and RNA. The mechanical properties of the matrix make the biofilm very resilient to its surrounding environment. It is viscoelastic, and the bacteria can dynamically modify the mechanical properties of the biofilm. The high variety of functional groups available due to the different biomolecules present allows trapping of organic molecules and dissolved ions by the matrix. This is responsible for multiple mechanism of resistance to antimicrobial by bacteria. The main objective of this thesis is to develop new analytical methodologies to study biofilms and obtain more insights on the structure of biofilms and what can influence them. Infrared spectroscopy and optical microscopy were used in microfluidic channel to follow biofilm growth. The combination of the two techniques enabled acquisition of information on the composition in biomacromolecules and biofilm structure. These methods allowed to assess the efficiency of direct inoculation and inoculation from an upstream biofilm. The use of low aspect ratio channels resulted in strong differences in hydrodynamic conditions between the middle of the channel and the channel corners. In this configuration biofilms tended to grow from the short side-walls of microchannels where shear stress was lowest. Time-lapse confocal microscopy showed the presence of a biochannel inside the biofilm in the corner positions. It is hypothesized that this channel has an important role in mass transfer in biofilm as it grows thicker. As the biofilms of Pseudomonas bacteria grew, their structure could be influenced by the type of growth media. Biofilms grown in complex media obtained from yeast cell extract could form elongated structures called streamers which were analysed with confocal laser scanning microscopy. Three-dimensional imaging of these structures in regular straight microchannels is the first of its kind. In a minimal medium with citrate as the sole carbon source, we observe and quantify time-dependant fractal patterns at the biofilm base. We have also developed a microfluidic device for in situ study by surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). This method allows having enhanced Raman signal and high sensitivity of sodium citrate, a common carbon source for bacteria, at low concentration. The different methodology developed in this thesis can be applied to more complex systems in the future. Combination of microfluidic for precise flow control and multiplexed measurement in massively parallelized channels is key to get deeper, statistically relevant insights in biofilm growth and methods to control them.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/29948 |
| Date | 04 June 2018 |
| Creators | Paquet-Mercier, François |
| Contributors | Greener, Jesse |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxv, 155 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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