Rôle des exopolysaccharides et de l'ADN extracellulaire dans le développement du biofilm par Klebsiella pneumoniae

par Marina Dos Santos Goncalves

Thèse de doctorat en Microbiologie

Sous la direction de Christiane Forestier.

Le président du jury était Régine Talon.

Le jury était composé de Marie-Noëlle Bellon-Fontaine.

Les rapporteurs étaient Christine Roques, Laurence Mathieu.


  • Résumé

    Le biofilm est défini comme une communauté microbienne adhérant à une surface biotique ou abiotique, et engluée dans une matrice extracellulaire auto-produite. Les biofilms naturels sont composés de plusieurs espèces microbiennes et leurs interactions, qu'elles soient synergiques ou antagonistes, jouent un rôle important dans le développement, la composition et le fonctionnement des consortia impliqués. De plus, ces relations impliquent souvent la production de molécules antagonistes limitant la croissance ou l'adhésion bactérienne. Enfin la composition de la matrice extracellulaire joue un rôle important dans la robustesse du biofilm. Au cours de ce travail, l'étude des interactions au sein de biofilms mixtes constitués par K. pneumoniae et S. epidermidis a permis d'isoler un polysaccharide produit par K. pneumoniae, capable d'inhiber l'adhésion aux surfaces abiotiques de plusieurs autres espèces bactériennes à Gram-négatif et à Gram-positif. La caractérisation physico-chimique de cette molécules de haut poids moléculaire a permis de mettre en évidence qu'elle était composée de galactose, glucose, rhamnose et d'acide glucuronique. Par ailleurs, l'analyse d'extraits de mutants déficients pour la production de capsule a montré que ce polysaccharide correspondait à la capsule de K. pneumoniae. Son mode d'action consisterait à inhiber les interactions initiales entre bactéries et surface. Le suivi dans le temps de la formation de biofilm monospecies par K. pneumoniae avec la technique Biofilm Ring Test® a également permis de mettre en évidence un phénotype original. En effet, la détection initiale d'agrégats bactériens est suivie par une modification apparente de leur structure, qui serait liée à des changements de leur robustesse face aux forces d'aimantation magnétique. La présence d'ADN extracellulaire au sein de la matrice du biofilm pourrait jouer un rôle dans la survenue de ce phénotype comme l'indique les mesures effectuées en présence de l'enzyme DNAse I. En parallèle, l'observation de biofilm formés par K. pneumoniae dans des modèles expérimentaux cinétiques a mis en évidence des décrochements massifs de biomasse au cours de la maturation du biofilm, qui pourraient être corrélées aux modifications internes de robustesse de la matrice. L'ensemble de ces données permet de mieux caractériser les interactions intimes survenant à l'intérieur de biofilms constitués par K. pneumoniae et à terme de mieux caractériser et donc prévenir leur formation et dissémination.


  • Résumé

    Biofilms are defined as microbial communities adhering to biotic or abiotic surfaces and embedded in a self-produced extracellular matrix. Natural biofilms are composed of several microbial species and their interactions, synergistic or antagonistic, play important roles in development, composition and functioning of the consortia. Furthermore, the relationships often involve the production of antagonist molecules that impair competitors' growth or adhesion. The composition and evolution of the extracellular matrix plays also an important role in the biofilms' robustness. In this work, study of the interactions within biofilms formed by K. pneumoniae and S. epidermidis led to the isolation of a polysaccharide produced by K. pneumoniae able to inhibit the adherence to abiotic surfaces of several Gram-negative and Gram-positive bacterial species. The physico-chemical characterization of this high molecular weight molecule showed it was composed of galactose, glucose, rhamnose and glucuronic acid. This data, together with the analysis of extracts from capsule-deficient mutants, indicated that the capsule of K. pneumoniae was responsible for the biofilm inhibition phenotype, probably by inhibiting the initial interactions between bacteria and surface. By monitoring the formation of monospecies biofilm by K. pneumoniae with the Biofilm Ring Test® technique, we were able to detect an original phenotype. Indeed, detection of bacterial aggregates still occurred after a few hours of incubation but in a different way, probably related to changes of the biofilm robustness towards magnetic forces. The presence of extracellular DNA in the matrix of the biofilm is likely to play a role in the occurrence of this phenotype, as indicated by the assays performed in presence of the enzyme DNase I. At the same time, observations of biofilm formed by K. pneumoniae in kinetic experimental models showed massive detachment events during biofilm maturation, which could be correlated to changes in internal strength of the matrix. All these dtat contribute to a better characterization of the intimate interactions occuring within biofilms formed by K. pneumoniae and will ultimately lead to the development of efficient anti-biofilm strategies.

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