Biophysique de la croissance filamenteuse fongique et mécanique de perforation dans des élastomères

Yeasts are unicellular fungi, which can be useful (bread, beer) or harmful to humans. Candida albicans is an opportunistic human pathogen, which can cause superficial as well as systemic infections, often life-threatening. One of the virulence factors of this organism is its ability to transit between an ovoid form and a filamentous form (hypha), capable of penetrating cellular tissues. During my thesis I studied the growth of C. albicans hyphae (diameter approximately 2 microns) in PDMS elastomers of various rigidity. I have observed that these hyphae are able to penetrate such environments with rigidities comparable to human tissues. My work was held into two parts.On one hand, I examined the penetration in cross-linked PDMS of a macroscopic one-millimeter diameter probe to better understand the mechanisms and forces involved, by analogy with the perforation of hyphae of microscopic size. I measured the force-strain relationships up to the point where the probe protrudes from the PDMS sample, which is a completely original aspect compared to the state of the art. I was able to show how the critical breaking force varied, but also the forces resistant to penetration up to the exit of the probe and to quantify the effects of the rigidity of the PMDS, but also of the speed.On the other hand, I worked with wild and mutated C. albicans strains. I developed and measured their growth in microfabricated PMDS membrane with chambers using real-time imaging. I first did a lot of work designing these membranes, most of the observations required a short working distance, which added a strong challenge on the manufacture of these membranes. The penetration of rigid media imposes on the filaments resistive stresses to their growth, as close as possible to the real situation. This makes the proposed approach an original one. Thanks to the results of the first part, we were able to determine the turgor pressure displayed in the hyphae using a recent growth model.Les levures sont des champignons unicellulaires, qui peuvent être utiles (pain, bière) ou délétères pour l’homme. Candida albicans est une levure pathogène opportuniste de l’Homme, pouvant provoquer des infections superficielles mais aussi systémiques, pour lesquelles le pronostic vital est souvent engagé. Un des facteurs de virulence de cet organisme est sa capacité à transiter entre une forme ovoïde et une forme filamenteuse (hyphe), capable de pénétrer les tissus cellulaires. J’ai étudié pendant ma thèse la croissance d’hyphes de C. albicans (diamètre 2 microns environ) dans des élastomères de PDMS plus ou moins rigides. J’ai pu observer que ces hyphes sont capables de pénétrer de tels milieux aux rigidités comparables aux tissus humains. Mon travail s’est développé en deux parties. Dans une première partie, j’ai étudié la pénétration dans du PDMS réticulé d’une tige macroscopique millimétrique pour mieux comprendre les mécanismes et forces en jeu, par analogie avec la perforation des hyphes de taille microscopique. J’ai mesuré les relations forces-déformation jusqu’au point où la tige ressort de l’échantillon de PDMS, ce qui constitue un aspect complétement original par rapport à l’état de l’art. J’ai pu montrer comment variait la force critique de rupture, mais aussi les forces résistantes à la pénétration jusqu’à la sortie de la tige, et quantifier les effets de la rigidité du PMDS, mais aussi de la vitesse. Dans une deuxième partie, j’ai manipulé des souches de C. albicans sauvage et mutées. J’ai observé et mesuré leur croissance dans des dispositifs en PMDS microfabriqués à puits par imagerie en temps réel. J’ai d’abord réalisé un travail important de conception de ces dispositifs, sachant que la plupart des observations nécessitaient une distance de travail faible, ajoutant une contrainte forte sur la fabrication de ces dispositifs. La pénétration de milieux de rigidité et contrainte de rupture contrôlables imposent aux filaments des forces résistantes à leur croissance, au plus proche de la situation réelle, qui fait de l’approche proposée une démarche originale. Grâce aux résultats de la première partie, nous avons pu déterminer la pression de turgescence générée dans les hyphes en utilisant un modèle récent de croissance

Biophysics of fungal filamentous growth and mechanics of perforation in elastomers

Les levures sont des champignons unicellulaires, qui peuvent être utiles (pain, bière) ou délétères pour l’homme. Candida albicans est une levure pathogène opportuniste de l’Homme, pouvant provoquer des infections superficielles mais aussi systémiques, pour lesquelles le pronostic vital est souvent engagé. Un des facteurs de virulence de cet organisme est sa capacité à transiter entre une forme ovoïde et une forme filamenteuse (hyphe), capable de pénétrer les tissus cellulaires. J’ai étudié pendant ma thèse la croissance d’hyphes de C. albicans (diamètre 2 microns environ) dans des élastomères de PDMS plus ou moins rigides. J’ai pu observer que ces hyphes sont capables de pénétrer de tels milieux aux rigidités comparables aux tissus humains. Mon travail s’est développé en deux parties. Dans une première partie, j’ai étudié la pénétration dans du PDMS réticulé d’une tige macroscopique millimétrique pour mieux comprendre les mécanismes et forces en jeu, par analogie avec la perforation des hyphes de taille microscopique. J’ai mesuré les relations forces-déformation jusqu’au point où la tige ressort de l’échantillon de PDMS, ce qui constitue un aspect complétement original par rapport à l’état de l’art. J’ai pu montrer comment variait la force critique de rupture, mais aussi les forces résistantes à la pénétration jusqu’à la sortie de la tige, et quantifier les effets de la rigidité du PMDS, mais aussi de la vitesse. Dans une deuxième partie, j’ai manipulé des souches de C. albicans sauvage et mutées. J’ai observé et mesuré leur croissance dans des dispositifs en PMDS microfabriqués à puits par imagerie en temps réel. J’ai d’abord réalisé un travail important de conception de ces dispositifs, sachant que la plupart des observations nécessitaient une distance de travail faible, ajoutant une contrainte forte sur la fabrication de ces dispositifs. La pénétration de milieux de rigidité et contrainte de rupture contrôlables imposent aux filaments des forces résistantes à leur croissance, au plus proche de la situation réelle, qui fait de l’approche proposée une démarche originale. Grâce aux résultats de la première partie, nous avons pu déterminer la pression de turgescence générée dans les hyphes en utilisant un modèle récent de croissance.Yeasts are unicellular fungi, which can be useful (bread, beer) or harmful to humans. Candida albicans is an opportunistic human pathogen, which can cause superficial as well as systemic infections, often life-threatening. One of the virulence factors of this organism is its ability to transit between an ovoid form and a filamentous form (hypha), capable of penetrating cellular tissues. During my thesis I studied the growth of C. albicans hyphae (diameter approximately 2 microns) in PDMS elastomers of various rigidity. I have observed that these hyphae are able to penetrate such environments with rigidities comparable to human tissues. My work was held into two parts.On one hand, I examined the penetration in cross-linked PDMS of a macroscopic one-millimeter diameter probe to better understand the mechanisms and forces involved, by analogy with the perforation of hyphae of microscopic size. I measured the force-strain relationships up to the point where the probe protrudes from the PDMS sample, which is a completely original aspect compared to the state of the art. I was able to show how the critical breaking force varied, but also the forces resistant to penetration up to the exit of the probe and to quantify the effects of the rigidity of the PMDS, but also of the speed.On the other hand, I worked with wild and mutated C. albicans strains. I developed and measured their growth in microfabricated PMDS membrane with chambers using real-time imaging. I first did a lot of work designing these membranes, most of the observations required a short working distance, which added a strong challenge on the manufacture of these membranes. The penetration of rigid media imposes on the filaments resistive stresses to their growth, as close as possible to the real situation. This makes the proposed approach an original one. Thanks to the results of the first part, we were able to determine the turgor pressure displayed in the hyphae using a recent growth model

Mechanical force-induced morphology changes in a human fungal pathogen

International audienceBackground: The initial step of a number of human or plant fungal infections requires active penetration of host tissue. For example, active penetration of intestinal epithelia by Candida albicans is critical for dissemination from the gut into the bloodstream. However, little is known about how this fungal pathogen copes with resistive forces upon host cell invasion. Results: In the present study, we have used PDMS micro-fabrication to probe the ability of filamentous C. albicans cells to penetrate and grow invasively in substrates of different stiffness. We show that there is a threshold for penetration that corresponds to a stiffness of ~ 200 kPa and that invasive growth within a stiff substrate is characterized by dramatic filament buckling, along with a stiffness-dependent decrease in extension rate. We observed a striking alteration in cell morphology, i.e., reduced cell compartment length and increased diameter during invasive growth, that is not due to depolarization of active Cdc42, but rather occurs at a substantial distance from the site of growth as a result of mechanical compression. Conclusions: Our data reveal that in response to this compression, active Cdc42 levels are increased at the apex, whereas active Rho1 becomes depolarized, similar to that observed in membrane protrusions. Our results show that cell growth and morphology are altered during invasive growth, suggesting stiffness dictates the host cells that C. albicans can penetrate