Evaluation du devenir environnemental de molécules à haut potentiel antibiotique

Assessment of the environmental fate of molecules with high antimicrobial potential

• Auteur / Autrice : Owen Daniel
• Direction : Elodie Guigon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie, environnement et santé
• Date : Inscription en doctorat le 31/08/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'École pratique des hautes études (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Milieux Environnementaux, Transferts et Interactions dans les hydrosystèmes et les Sols
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École pratique des hautes études (Paris ; 1868-....)

Mots clés

Mots clés libres

Peptides antimicrobiens

Antibiorésistance

Pseudopeptides cycliques

Devenir environemental

Mécanismes d'atténuation

Produits de transformation

Antimicrobial peptides

Antimicrobial resistance

Cyclic pseudopeptides

Environmental fate

Natural attenutation processes

Transformation products

Résumé

Les antibiotiques sont des molécules utilisées pour le traitement des infections bactériennes qui ont permis de grandes avancées en médecine humaine et vétérinaire. L'utilisation de ces composés en grandes quantités et leurs mésusages ont cependant mené au développement de bactéries antibiorésistantes qui rendent difficile voire impossible le traitement des pathologies qu'elles provoquent. Cette problématique a ainsi été classée comme l'une des 10 principales menaces pesant sur la santé humaine par l'Organisation Mondiale de la Santé en 2019. Les antibiotiques consommés ne sont pas complètement métabolisés ni chez l'humain ni chez les animaux. Une partie des composés initiaux et des produits de transformation (PT) sont donc présents dans les excrétas puis sont émis dans l'environnement, directement ou après passage en station de traitement des eaux usées. Cela peut contribuer au développement de bactéries antibiorésistantes et à la propagation des gènes de résistance. Les PT sont susceptibles d'entrainer des effets néfastes, il est nécessaire de chercher à les caractériser. Les antibiotiques et les PT impactent également les communautés microbiennes naturelles qui jouent un rôle majeur dans les cycles biogéochimiques et donc dans la qualité de l'eau et des sols. Il semble ainsi essentiel de comprendre le devenir des antibiotiques dans l'environnement pour mieux appréhender les impacts sanitaires et environnementaux qu'ils provoquent. L'antibiorésistance est une problématique sanitaire majeure qui nécessite le développement de nouveaux antibiotiques efficaces contre les bactéries pathogènes et qui n'induisent pas d'antibiorésistance. Le projet NAILR, au sein duquel s'inscrit la thèse, a pour objectif de caractériser le potentiel clinique de 4 molécules à effet antibiotique développées par l'un des partenaires du projet. Lesdits antibiotiques sont des pseudopeptiques cycliques : les Peps. Ces molécules peptidomimétiques sont dérivées de peptides antimicrobiens, des protéines synthétisées par les organismes pour se défendre contre les infections bactériennes. Les Peps ont subi des tests préliminaires d'activité antimicrobienne et de toxicité qui se sont avérés prometteurs. L'objectif de la thèse est d'évaluer leurs devenirs environnementaux et leurs effets sur les communautés microbiennes naturelles dans l'optique de développer des antibiotiques qui n'engendrent pas d'effets néfastes. Dans l'environnement, les antibiotiques et les PT subissent des mécanismes d'atténuation naturelle qui déterminent leur persistance dans les milieux (hydrolyse, photolyse, biodégradation, adsorption). Dans un premier temps, la stabilité des Peps sera évaluée en batch. Les méthodologies développées à cette échelle d'expérimentation simple permettront d'isoler les mécanismes d'atténuation pour les étudier séparément. Les cinétiques de réaction, les voies de dégradation et les PT formés seront ainsi caractérisés pour chaque mécanisme sous différentes conditions environnementales. Les concentrations des Peps seront mesurées par LC-MS/MS et les PT ainsi que les voies de dégradation seront caractérisés par LC-HRMS. Des expérimentations en chemostats réalisées au sein d'un laboratoire partenaire permettront d'évaluer l'impact des Peps sur les communautés microbiennes. Ces deux approches simples représentent mal les milieux naturels. L'utilisation de mésocosmes, une échelle d'expérimentation plus représentative de l'environnement mais aussi plus complexe est donc nécessaire. Les expérimentations en batch et en chemostats permettront alors d'interpréter les résultats obtenus dans les mésocosmes tandis que cette seconde échelle rendra compte du devenir environnemental des molécules et de leurs PT ainsi que de leurs impacts sur les communautés microbiennes. Ces différentes échelles sont donc complémentaires. Les résultats des travaux contribueront ainsi à l'évaluation des risques environnementaux si les Peps sont commercialisés.

Antibiotics are molecules used to treat bacterial infections that have led to major improvements in human and veterinary medicine. However, the overuses and misuses of antibiotics caused the development of antimicrobial-resistant bacteria (AMB). Treating diseases caused by AMB is complicated if not impossible in some cases. Hence this problematic could provoke 10 million death in 2050 and has consequently been classified by the World Health Organization as one of the most dangerous threat to human health. Due to poor absorption in human and animals, large amounts of antibiotics and transformation products (TP) are excreted and can be emitted in the environment, either directly or via wastewater treatment plants. In the environment those compounds can contribute to the development of AMB. Some TP are stable and can cause adverse effects as their parent compounds. It is therefore important to characterize those entities. Both the antibiotics and their TP can also impact natural bacterial communities, thus indirectly disrupting geochemical cycles and the quality of water and soil. For these reasons it is essential to characterize the environmental fate of antibiotics in order to understand the health and environmental impacts they induce. To address this major health problematic, the development of new antibiotics that are efficient against AMB and do not induce antimicrobial resistance is needed. The PhD thesis is part of the NAILR project which aims to characterize 4 antibiotically active molecules developed by one of the partner laboratories. Those molecules are cyclic pseudopeptides named Peps. Peps are peptidomimetic compounds derived from proteins synthetized by organisms for defending against infectious disease: antimicrobial peptides. The results of preliminary tests carried on Peps have shown that they could be good candidates for clinical evaluation. The aim of the PhD thesis is to assess environmental fate of Peps and their impacts on microbial communities, in order to develop antibiotics that don't cause adverse effects. In the environment, antibiotics and their transformation products undergo natural attenuation processes that determine their persistence (i.e. hydrolysis, photolysis, biodegradation, adsorption). Firstly Peps stability will be assessed in batch. These controlled experimental conditions allow to isolate each process to study them separately. Reaction kinetics, degradation pathways and major TP will be characterized for each process under various environmental conditions. Peps concentrations are measured by HPLC-MS/MS whereas degradation pathways and transformations products are characterized by HPLC-HRMS. Additionally, chemostat experimentations conducted in a partner laboratory will assess the impacts of Peps on microbial communities. However batch and chemostat poorly represent the complexity of the environment. Consequently mesocosm experiments will be carried out. Mesocosms are more representative of the environment but the results obtained are more convoluted. Thus, results obtained in batch and in chemostat will be used to develop an appropriate methodology and to simplify those obtained in mesocosms. Whereas the latter will allow to assess Peps environmental fate (stability, transport, partitioning) and their impacts on microbial communities. The different conditions are therefore complementary. The understanding of Peps environmental fate and their impacts on microbial communities will reduce environmental and health risks if those compounds are commercialized.