Etude du rôle des pili de Lactococcus lactis dans la structuration d’un biofilm : approche biophysique multi-échelle

Studying the role of the Lactococcus lactis pili in the structuring of a biofilm : multi-scale biophysical approach

• Auteur / Autrice : Ibrahima Dramé
• Direction : Christine Lafforgue, Mickaël Castelain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering - Toulouse Biotechnology Institute / TBI
• Jury : Président / Présidente : Valérie Gagnaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Lafforgue, Mickaël Castelain, Raphaël Duval, Frédéric Pignon, Etienne Dague
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Raphaël Duval, Frédéric Pignon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lactocoques

Biofilms

Follicule du poil

Mots clés libres

Pili

Lactococcus lactis

Interactions homotypiques

Afm

Propriétés nanomécaniques

Conditions hydrodynamiques

Pili

Lactococcus lactis

Biofilm

Afm

Nanomechanical properties

Shear Stress

Résumé

Les biofilms peuvent être considérés comme des communautés microbiennes plus ou moins complexes, très structurées, attachées à une surface. Chez les bactéries, les biofilms sont formés d’amas de cellules d’une ou de plusieurs espèces, produisant leur propre matrice exo-polymérique, protectrice et adhésive. Cette forme de vie en communauté permet aux bactéries de se protéger et de résister contre des phénomènes physiques, chimiques et biologiques. Cependant, chez les bactéries pathogènes et opportunistes, la formation de biofilm pause d’importants problèmes économiques et sanitaires. Chez les bactéries non-pathogènes, en particulier, les bactéries probiotiques ou les bactéries lactiques (BL), la formation de biofilm et son rôle dans le contrôle d’autres bactéries d’altération ou pathogènes sont de plus en plus étudiés. Dans cette optique, l’étape d’adhésion, les interactions intercellulaires et les mécanismes de formation de biofilm sont cruciales. Ces dernières années, si la plupart des travaux s’intéressent à la bactérie probiotique Lactobacillus rhamnosus GG, la Bactérie Lactique modèle Lactococcus lactis, fait aussi l’objet de plusieurs études visant à comprendre sa capacité à adhérer sur des surfaces biotiques et abiotiques, les mécanismes d’interactions entre cellules et de formation de biofilms, tant en conditions statiques qu’en écoulement. Dans ces travaux de thèse, pour comprendre le rôle des pili de L. lactis dans l’organisation et la cohésion des cellules dans un biofilm, nous avons d’abord démontré, en utilisant la spectroscopie de force à l’échelle de la cellule (SCFS), l’implication des pili dans les interactions homotypiques et leur capacité à interagir avec d’autres protéines de surface comme les protéines à domaines Mub. Le rôle des pili dans les caractéristiques morphologiques du biofilm (hétérogène, aérien, rugueux), en lien avec la cohésion des cellules et ses propriétés nanomécaniques a été analysé. L’utilisation d’une banque de souches aux phénotypes différents a permis de montrer, que d’autres protéines de surface, comme les protéines à domaine Mub, participent à la structuration et aux caractéristiques du biofilm. En revanche, cette différence de structure entre les biofilms des souches pilièes n’apparait pas corrélée à leurs propriétés nanomécaniques. Toutes les souches produisant des pili ont des propriétés mécaniques similaires : les biofilms sont mille fois plus mous ou élastiques que ceux des souches contrôles dépourvues de pili. Enfin, en condition d’écoulement, les effets la contrainte de cisaillement appliquée (de 0.02 à 1 Pa) à la fois sur l’arrachement du biofilm et sa morphologie ainsi que sur son développement et sa restructuration après une augmentation brutale de l’intensité de cisaillement ont été analysés. Ainsi, en condition d’écoulement, le rôle crucial des pili dans la structuration et la persistance des biofilms de L. lactis a été démontré.Mots clés : Lactococcus lactis, pili, SCFS, AFM, biofilms, propriétés nanomécaniques, conditions hydrodynamiques.

Biofilms can be considered as more or less complex, highly structured microbial communities attached to a surface. In bacteria, biofilms are formed from clusters of cells of one or more species, producing their own exopolymeric, protective and adhesive matrix. This form of community life allows bacteria to protect themselves and resist physical, chemical and biological phenomena. However, in pathogenic and opportunistic bacteria, the formation of biofilm poses significant economic and health problems. In non-pathogenic bacteria, particularly probiotic or lactic acid bacteria (LAB), biofilm formation and its role in controlling other spoilage or pathogenic bacteria is increasingly being studied. From this perspective, the adhesion stage, intercellular interactions and biofilm formation mechanisms are crucial. In recent years, while most work has focused on the probiotic bacterium Lactobacillus rhamnosus GG, the model LAB Lactococcus lactis is also the subject of several studies aimed at understanding its ability to adhere to biotic and abiotic surfaces, the mechanisms of cell-cell interactions and biofilm formation, both under static and flowing conditions. In these thesis works, in order to understand the role of L. lactis pili in the organization and cohesion of cells in a biofilm, we first demonstrated, using cell-scale force spectroscopy (SCFS), the involvement of pili in homotypic interactions and their ability to interact with other surface proteins such as Mub-domain proteins. The role of pili in the morphological characteristics of the biofilm (heterogeneous, aerial, rough), related to cell cohesion and its nanomechanical properties was analyzed. The use of a library of strains with different phenotypes has shown that other surface proteins, such as Mub-domain proteins, participate in the structuring and characteristics of the biofilm. On the other hand, this difference in structure between the biofilms of the pilial strains does not appear to be correlated with their nanomechanical properties. All pili-producing strains have similar mechanical properties: the biofilms are a thousand times softer or more elastic than those of control strains without pili. Finally, under flow conditions, the effects of the applied shear stress (from 0.02 to 1 Pa) on both the biofilm tearing and its morphology as well as on its development and restructuring after an abrupt increase in shear intensity were analyzed. Thus, under flow conditions, the crucial role of pili in the structuring and persistence of L. lactis biofilms was demonstrated.Keywords : Lactococcus lactis, pili, SCFS, AFM, biofilms, nanomechanical properties, hydrodynamic conditions.