Formation and functions of biofilms in the gut anaerobe Bacteroides thetaiotaomicron

par Jovana Mihajlovic

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Jean-Marc Ghigo.

Soutenue le 26-09-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Bio Sorbonne Paris Cité (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Génétique des biofilms (équipe de recherche) et de Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (Université) .

  • Titre traduit

    Formation et fonctions des biofilms dans l'intestin anaerobe Bacteroides thetaiotaomicron


  • Résumé

    Les biofilms bactériens sont des communautés répandues, dans lesquelles la densité cellulaire élevée, la diffusion réduite et la structure hétérogène favorisent les contacts physiques et métaboliques entre les bactéries et induisent de nouveaux comportements par rapport aux microorganismes individuels. [Si] la plupart des connaissances actuelles sur la formation du biofilm et le métabolisme découlent des études réalisées dans les modèles bactériens aérobies pathogènes et environnementaux, […] il existe peu d'informations sur la formation de biofilm dans des anaérobies strictes en général et des anaérobies commensaux associés à l'hôte de la gastro-microbiota intestinal en particulier. […] Nous avons utilisé des tests de biofilm in vitro statiques et dynamiques combinés avec des approches génétiques et transcriptomiques pour étudier les mécanismes moléculaires de la formation de biofilm et du métabolisme dans un prothèses intestinales Bacteroides thetaiotaomicron. Notre écran initial sur 35 souches de B.thetaiotaomicron […] a révélé une capacité généralisée de cette espèce à former un biofilm. Cependant, la production de biofilm semblait réprimée […] dans le VPI 5482 de type sauvage de référence et cela nous a poussé à développer les travaux de thèse selon deux axes principaux : l'identification de conditions induisant la formation de biofilm in vitro dans VPI 5482 et l'identification et la caractérisation de mutants transposons avec augmentation de la capacité du biofilm par rapport à WT VPI 5482. Après avoir testé divers composés qui sont pertinents pour l'environnement intestinal, nous avons montré que les sels biliaires […], induisent la formation de biofilm chez VPI 5482 et nous avons utilisé le RNAseq pour identifier les fonctions impliquées dans la formation de biofilm induite par le sel biliaire. Les résultats de RNAseq montrent que les bactéries dans le biofilm augmentent l'expression des gènes impliqués dans la glycosylation de la surface cellulaire et présentent un modèle d'expression spécifique des opéron de synthèse capsulaire, suggérant que les polysaccharides de surface cellulaire pourraient jouer un rôle clé lors de la formation du biofilm dans B. thetaiotaomicron. Nous avons ensuite utilisé la mutagenèse du transposon pour révéler les facteurs d'adhérence impliqués dans la formation du biofilm en présence de sels biliaires, ce qui a conduit à l'identification d'un opéron non caractéristique (BT3560-2) impliqué putativement dans le transport de micronutriments dépendant de TonB. Même si les cibles des systèmes de transport identifiés par mutagenèse et RNAseq sont […] inconnues, leur caractérisation supplémentaire peut conduire à l'identification des voies réglementaires qui régissent la formation du biofilm. En utilisant la mutagenèse du transposon pour débloquer l'adhérence dans le pauvre biofilm B. thetaiotaomicron VPI 5482, nous avons identifié deux loci - un putatif V Mfa1 pili operon BT3148-7 et un opérat de synthèse de capsule 4 (CPS4) impliqué dans la formation de biofilm indépendamment des sels biliaires. Sur la base de l'homologie structurale avec les pilins mfa1, BT3148 et BT3147 constituent vraisemblablement une structure pilus qui requiert une troncature C-terminale de la pilule BT3147 de la tige prédite pour l'allongement et l'augmentation conséquente de la formation du biofilm. La microscopie électronique continue combinée à la détection d'immunoglole du pilus putatif devrait élucider complètement le mécanisme de formation de biofilm médié par BT3148-7. Le deuxième facteur de biofilm identifié indépendant de la bile est la capsule 4 (CPS4). Comme la suppression du CPS4 à l'état sauvage a conduit à une forte production de biofilm, nous avons émis l'hypothèse que le CPS4 pourrait masquer une adhésine putative.


  • Résumé

    Bacterial biofilms are widespread communities, in which high cell density, reduced diffusion and heterogeneous structure favor physical and metabolic contacts between bacteria and induce novel behaviors as compared to individual microorganisms. Most of the current knowledge about biofilm formation and metabolism is derived from the studies performed in pathogenic and environmental aerobic bacterial models, by contrast, there is little information on biofilm formation in strict anaerobes in general, and host-associated commensal anaerobes of the gastro-intestinal microbiota in particular. In this project we used static and dynamic in vitro biofilm assays combined with genetic and transcriptomic approaches to study molecular mechanisms of biofilm formation and metabolism in a prominent gut commensal Bacteroides thetaiotaomicron. Our initial screen on 35 B. thetaiotaomicron strains collected from various academic and clinical collections revealed a widespread ability of this species to form biofilm. However, biofilm production seemed repressed or masked in the reference wild type VPI 5482 and this prompted us to develop the thesis works along two main axis: the identification of conditions inducing in vitro biofilm formation in VPI 5482 and the identification and characterization of transposon mutants with increased biofilm capacity compared to WT VPI 5482. Having tested various compounds that are relevant to gut environment, we showed that bile salts – an important environmental clue for gut microbiota, induce biofilm formation in VPI 5482 and we used RNAseq to identify functions involved in bile salt-induced biofilm formation. RNAseq results show that bacteria in biofilm increase the expression of genes involved in glycosylation of cell surface and exhibit a specific expression pattern of capsular synthesis operons, suggesting that cell surface polysaccharides could be playing a key role during biofilm formation in B. thetaiotaomicron. We then used transposon mutagenesis to reveal adhesion factors involved in biofilm formation in presence of bile salts, which led to identification of an uncharacterized operon (BT3560-2) putatively involved in TonB-dependent transport of micronutrients. Even though the targets of the transport systems identified via mutagenesis and RNAseq are yet unknown, their further characterization may lead to identification of regulatory pathways that govern biofilm formation. Using transposon mutagenesis to unlock adhesion in the poor biofilm-former B. thetaiotaomicron VPI 5482, we identified two loci – a putative type V Mfa1 pili operon BT3148-7 and capsule synthesis operon 4 (CPS4) involved in biofilm formation independently of bile salts. Based on structural homology with mfa1 pilins, BT3148 and BT3147 likely constitute a pilus structure that requires C-terminal truncation of the predicted stalk pilin BT3147 for elongation and consequent increase in biofilm formation. Ongoing electron microscopy combined with immunogold detection of the putative pilus should fully elucidate the BT3148-7-mediated biofilm formation mechanism.

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