Caractérisation de bactéries par analyses protéomiques en spectrométrie de masse

Proteomic analysis for bacterial characterisation using mass spectrometry

• Auteur / Autrice : Tiphaine Cecchini
• Direction : Jérôme Lemoine
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie analytique
• Date : Soutenance le 02/06/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences Analytiques. Lsa
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Salvador
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Grillot-Courvalin, Jean-Philippe Charrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Becher, Jean-Marie Lacroix

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance aux antibiotiques

Diagnostic biologique

Chromatographie en phase liquide

Spectrométrie de masse

Mots clés libres

Spectrométrie de masse

Chromatographie liquide

Diagnostic in vitro

Résistance aux antibiotiques

Microbiologie

Analyses protéomiques ciblées

Analyses protéomiques non ciblées

Mass spectrometry

Liquid chromatography

In vitro diagnostic

Antimicrobial resistance

Microbiology

Targeted proteomic analysis

Untargeted proteomic analysis

Résumé

Grâce à la spectrométrie de masse de type MALDI-TOF, l'identification des bactéries est maintenant possible en quelques minutes. Mais le taux de mortalité des patients augmente lorsqu'une antibiothérapie inappropriée est utilisée et les instruments MALDI-TOF ne sont pas capables d'analyser rapidement et exhaustivement la résistance bactérienne. Actuellement, 6 à 24 heures sont nécessaires pour déterminer le phénotype de résistance. En couplant une chromatographie liquide et un spectromètre de masse à ionisation électrospray (LC-MS/MS), nous avons identifié les marqueurs de résistance en 1 à 2 heures. En 30 min, nous avons pu détecter les mécanismes de résistance aux β-lactamines, aux glycopeptides, à la méthicilline et aux fluoroquinolones, à l'aide de méthodes de type "Suivi de Réactions Sélectionnées", ou "Selected Reaction Monitoring" (SRM). Au cours de la même analyse multiplexée, des dizaines de protéines peuvent être détectées de façon hautement spécifique et sensible. Comme l'illustre l'étude de la résistance multifactorielle chez Acinetobacter baumannii, cette approche permet en outre une analyse quantitative d'un grand intérêt pour certains mécanismes de résistance. Cependant, malgré ces perspectives attrayantes, la LC-MS/MS reste, aujourd'hui, loin d'une possible implantation en routine dans les laboratoires de microbiologie. Les instruments sont trop coûteux et la technologie trop complexe pour un usage pour du diagnostic in vitro. La spectrométrie de masse pourrait déjà avantageusement compléter les technologies actuelles de biologie moléculaire. Aujourd'hui, le séquençage de nouvelle génération est la méthode de référence pour la caractérisation moléculaire des bactéries. Mais, comme démontré dans ce travail, l'annotation des gènes est perfectible. Pour quelques dizaines d'euros et quelques heures d'analyse, les peptides identifies par spectrométrie de masse facilitent l'assemblage des séquences (« scaffolds ») et la détection des gènes. De surcroît, la spectrométrie de masse permet une quantification précise des protéines. Elle apporte ainsi une nouvelle dimension analytique et une vision moléculaire plus proche du phénotype. En conclusion, la spectrométrie de masse LC-MS/MS peut être une technologie complémentaire attractive, voir une future alternative, à la biologie moléculaire pour la caractérisation des bactéries

Thanks to MALDI-TOF mass spectrometry, identification of isolated bacteria is now possible within a few minutes. But doctors also need to rapidly know the phenotype of resistance of the bacteria. Indeed, the patient mortality rate increases when the antibiotherapy is not appropriate. However, MALDI-TOF instruments are not able to analyze antibacterial resistance rapidly and comprehensively.Today, 6 to 24 hours are nedded for antibiotic susceptibility testing. When combining a liquid chromatography and a mass spectrometer with electrospray ionization (LC-MSMS), the detection of resistance biomarkers was possible within 1 to 2 hours. Using a Selected Reaction Monitoring (SRM) method, resistance mechanisms to beta-lactams, methicillin, glycopeptides and fluoroquinolones were detected in strains within 30 minutes. Tens of resistance determinants can be analyzed in a single multiplexed assay, with high specificity and sensitivity. Illustrated by the study of multifactorial resistance in Acinetobacter baumannii, the technology allows furthermore a quantitative analysis, which is of great value for some resistance mechanisms. Similarly, we identified virulent strains of enterohemorrhagic Escherichia coli by targeting toxins and serotype biomakers in the same assay. Mass spectrometry offered deeper bacterial characterization than conventional serotyping using polyclonal antibodies. However, despite all these favorable prospects, LC-MS/MS remains today far from reaching a routine use in microbiological hospital laboratories. Instruments are too expensive and the technology is too cumbersome for a daily in vitro diagnostic use. Waiting for a more suitable use, mass spectrometry could yet advantageously complement current molecular technologies. Today, the gold standard to study bacteria at molecular level is next generation sequencing. However, as demonstrated during this work, gene annotation remains imperfect. For tens of euros and few hours of analysis, peptides identified by mass spectrometry analysis of a bacteria might improve scaffold assembly and gene detection. Moreover, mass spectrometry gives an accurate protein quantitation and brings a new analytical dimension, potentially closer to the phenotype than molecular techniques. In conclusion, LC-MS/MS mass spectrometry could be an attractive complementary, or alternative technology in a near future, to conventional molecular biology techniques for deep characterization of bacteria