Adaptation de Staphylococcus aureus aux environnements naturels et détection basée sur les aptamères

Adaptation of Staphylococcus aureus to Natural Environments and Aptamer-Based Sensing

• Auteur / Autrice : Vincent Leguillier
• Direction : Jasmina Vidic, Brahim Heddi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 04/04/2025
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MICALIS- Microbiologie de l'Alimentation au service de la santé humaine
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Carole Chaix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vittorio Venturi, Bianca Sclavi, Ivica Dimkić, Michèle Salmain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vittorio Venturi, Bianca Sclavi
• DOI : 10.70675/8c43a054z9abaz42deza654zd35b3eec51c5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocapteurs

ADN

Infections nosocomiales

Mots clés libres

Staphylococcus aureus

Adaptation

Aptamère

Détection

Sécurité alimentaire

Staphylococcus aureus

Adaptation

Aptamer

Detection

Food Safety

Résumé

Staphylococcus aureus est une bactérie pathogène opportuniste qui constitue une menace majeure en sécurité alimentaire et en santé publique. De plus, cette bactérie possède un pouvoir d'adaptation lui permettant de persister et de survivre dans des environnements complexes, causant une grande variété de maladies chez l'Homme et chez l'animal. Face à ces défis, il est crucial de développer de nouvelles méthodes de détection rapide et fiable. L'émergence de souches multi-résistantes, combinée à leur capacité à se développer dans des matrices biologiques diverses exige des outils analytiques capables de dépister S. aureus directement dans ces environnements complexes. Les biosenseurs basés sur les aptamères sont un candidat prometteur pour atteindre cet objectif.La première partie de cette thèse analyse l'adaptation de S. aureus dans des environnements complexes riches en lipides, tels que le lait et le sérum. Ces environnements naturels remodèlent la composition et la morphologie de l'enveloppe bactérienne et modifient la résistance au stress oxydatif ainsi que la résistance aux antibiotiques. Les résultats protéomiques comparatives révèlent des modifications importantes dans l'expression des protéines impliquées dans le métabolisme central du carbone, les voies biosynthétiques et les voies de fermentation dans les deux matrices par rapport BHI. Une régulation positive des facteurs de virulence et des protéines associées à la réponse au stress est également observée lorsque S. aureus est adapté au lait. Ces observations sont confirmées par l'étude de la létalité du pathogène dans un modèle d'infection en modèle insecte, mettant en évidence une forte corrélation entre la virulence de la souche bactérienne et sa capacité à s'adapter à différents environnements.La seconde partie de cette thèse se concentre sur l'analyse structurale et l'optimisation d'un aptamère issu de la littérature, préalablement sélectionné par la méthode SELEX pour se lier spécifiquement à S. aureus, cet aptamère est un oligomère d'ADN, dont les propriétés de reconnaissance d'un épitope non identifié, présent à la surface de S. aureus, ont été démontrées. En utilisant des techniques biophysiques telles que le dichroïsme circulaire, la spectroscopie UV et la résonance magnétique nucléaire (RMN), il a été montré que cet aptamère adopte un motif intercalé (motif-I), une structure à quatre brins d'ADN, riche en cytosine, constituée de paires de bases C•C⁺ intercalées, qui se forme dans des conditions légèrement acides. Il a également été démontré que cette structure motif-I est directement impliquée dans la reconnaissance de S. aureus.Sur la base de ces données, la séquence de cet aptamère a été modifiée afin qu'une structure plus stable et dotée d'une meilleure affinité pour S. aureus soit obtenue. L'importance des modifications structurelles dans l'amélioration de la spécificité et de la stabilité des aptamères a été mise en évidence.Les résultats suggèrent que le développement d'un aptasenseur robuste, sélectif et sensible repose sur une compréhension des adaptations de S. aureus et sur l'optimisation structurelle des aptamères. Étant donné que le motif-I de l'aptamère ne se forme qu'en conditions légèrement acides, la stabilisation de sa structure et l'amélioration de son affinité à pH physiologique nécessitent probablement des modifications chimiques. L'intégration de ces paramètres est cruciale pour que des outils de détection efficaces et adaptés aux défis posés par cette bactérie pathogène soient conçus.

Staphylococcus aureus is an opportunistic pathogenic bacterium that poses a major threat to food safety and public health. Moreover, its remarkable adaptability enables it to persist and survive in complex environments, causing a wide range of diseases in both humans and animals. In response to these challenges, the development of new rapid and reliable detection methods is crucial. The emergence of multidrug-resistant strains, combined with their ability to thrive in diverse biological matrices, necessitates the creation of analytical tools capable of detecting S. aureus directly in these complex environments. Aptamer-based biosensors represent a promising approach to achieve this goal.The first part of this thesis examines the adaptation of S. aureus to complex, lipid-rich environments such as milk and serum. These natural environments reshape the composition and morphology of the bacterial envelope, altering oxidative stress resistance and antibiotic susceptibility. Comparative proteomic analyses reveal significant changes in the expression of proteins involved in central carbon metabolism, biosynthetic pathways, and fermentation processes in both matrices compared to BHI. A positive regulation of virulence factors and stress response-associated proteins is also observed when S. aureus adapts to milk. These findings are supported by studies on pathogen lethality in an insect infection model, highlighting a strong correlation between bacterial virulence and its ability to adapt to different environments.The second part of this thesis focuses on the structural analysis and optimization of an aptamer previously selected via the SELEX method for its specific binding to S. aureus. This aptamer is a DNA oligomer with demonstrated recognition properties for an unidentified epitope present on the surface of S. aureus. Using biophysical techniques such as circular dichroism, UV spectroscopy, and nuclear magnetic resonance (NMR), it was shown that this aptamer adopts an intercalated-motif (i-motif), a four-stranded DNA structure rich in cytosine, consisting of intercalated C·C⁺ base pairs, which forms under slightly acidic conditions. Additionally, it was demonstrated that the i-motif structure plays a direct role in S. aureus recognition.Based on these findings, the aptamer sequence was modified to achieve a more stable structure with enhanced affinity for S. aureus. The study highlights the importance of structural modifications in improving the specificity and stability of aptamers.The results suggest that the development of a robust, selective, and sensitive aptasensor relies on understanding S. aureus adaptations and optimizing the structural properties of aptamers. Since the aptamer's i-motif structure forms only under slightly acidic conditions, stabilizing this structure and improving its affinity at physiological pH likely require chemical modifications. Integrating these parameters is crucial for designing effective detection tools tailored to the challenges posed by this pathogenic bacterium