Etude de l’accumulation d’un antibiotique bactéricide par des bactéries tolérantes en lien avec la persistance bactérienne

Abstract

Aminoglycoside (AG) is a family of antibiotic which target bacterial ribosome. Few examples of this family are neomycin, gentamicin and streptomycin. When these antibiotics bind to ribosomes, they cause miscoding or inhibit protein synthesis which consequently leads to cell death. Although discovery of these antibiotics was more than half a century ago, there are many facts about AGs’ action mechanism which remain unknown. AG accumulation in the bacterial cells happens in three steps. First step is cell membrane attachment. This step is driven by an electrostatic interaction with the cationic AGs. Second step is an energy dependent phase I (EDPI). In EDPI, the antibiotic enters into the cytoplasm and reaches ribosomes, causing miscoding and production of misfolded proteins. EDPI depends on cellular energy level, however to date the mechanism by which AGs pass through membranes and enter cytoplasm is unknown. The third step is energy dependent phase II (EDPII) in which the antibiotic enters into the cytoplasm in larger amount due to damages in the membrane that resulted from EDPI. The aim of this PhD was to create new tools to study the interaction of AGs with bacteria and apply the methodology to study fast growing bacteria as well as persister cells. We have made fluorescently-tagged AGs with preserved bactericidal properties. We used these conjugates to track down the interaction of AG at single cell level by fluorescence microscopy. We combined fluorescence microscopy and fluorescence-activated cell sorting (FACS) analysis to measure AGs accumulation in the cells at different time points to capture the kinetics of antibiotic penetration. This study showed that there are two accumulations patterns for the drug in cells: in the first step there is a peripheral accumulation, which corresponds to specific binging to cell membrane. Next there is a cytoplasmic accumulation in which the antibiotic in entering into the cytoplasm. According to microscopy time laps study, low levels of cytoplasmic accumulation is tolerated by cells and did not cause cell death. Using FACS analysis, we used an inhibitor of EDPI and EDPII and proved that with this technique we can distinguish different steps of AGs accumulation. During protocol adjustment steps we found that AGs can enter into the cytoplasm as a result of mechanosensation and activation of mechanosensitive (MS) channels. These channels have already been shown to have affinity to AG and here this is a first time that we observed that mechanical manipulation of cells lead to opening of MS channel causing massive cytoplasmic accumulation. This unpredictable result may lead us to a better understanding of the mechanism of AG entrance into the cytoplasm. After studying AG accumulation in fast growing cells, we studied AG tolerance for non-growing cells, which are called persisters. Persisters are antibiotic tolerant sub-population among susceptible bacterial cell population. Persisters are non-growing, dormant cells which tolerate high concentrations of antibiotic. In the absence of antibiotic, they exit this dormant state and grow into an antibiotic susceptible population. By fluorescence microscopy we showed that persister cells have peripheral accumulation of AG. Thanks to our methodology, we have a powerful tool by which we can determine the patterns of AG accumulation. Prior to this study, it was only possible to know the levels of accumulation and not the corresponding patterns. We applied the method to investigate AG accumulation in two mutants of E. coli, which are less tolerant to AG and defined their pattern of accumulation. Finally, we developed a coated microfluidic system, which is adapted to our antibiotics for studying in real time drug accumulation by persister cells.Les aminoglycosides (AG) sont une famille d’antibiotiques qui ciblent le ribosome bactérien. À titre d’exemple il s’agit de la néomycine, la gentamicine et la streptomycine. Quand ces antibiotiques se fixent au ribosome, ils provoquent des erreurs de lectures ou inhibent la synthèse des protéines, ce qui conduit à la mort cellulaire. Même s’ils ont été découverts il y a plus d’un demi-siècle, de nombreux aspects de leur mode d’action restent inconnus. L’accumulation des AG dans les bactéries se passe en trois étapes. La première consiste en une interaction électrostatique avec la membrane. La deuxième est une phase I énergie-dépendante (EDPI). Les antibiotiques rentrent dans le cytoplasme, atteignent les ribosomes, ce qui cause des erreurs de lecture et donc la production de protéines mal repliées. EDPI dépend du niveau énergétique de la cellule et le mécanisme d’entrée à travers les membranes reste inconnu. La troisième étape est la deuxième phase énergie-dépendante (EDPII), où l’antibiotique pénètre dans le cytoplasme en grande quantité par des membranes endommagées lors de la phase I. Le but de cette thèse était de créer de nouveaux outils afin d’étudier l’interaction des AG avec les bactéries et d’appliquer la méthodologie à des bactéries en phase rapide de croissance ou bien en état de persistance. Nous avons synthétisé des conjugués fluorescents des AG aux propriétés bactéricides. Avec ces conjugués nous avons analysé l’interaction des AG avec les bactéries à l’échelle de la cellule unique par microscopie de fluorescence. Nous avons combiné cette technique avec la cytométrie de flux (FACS) pour évaluer la cinétique d’accumulation. Cette étude démontre qu’il y a deux types d’accumulation : une à la périphérie avec interaction à la membrane et une deuxième où l’antibiotique est localisé dans le cytoplasme. Notre analyse démontre aussi que de faibles niveaux d’antibiotiques dans le cytoplasme sont tolérés et n’inhibent pas la croissance cellulaire. En utilisant un inhibiteur des phases EDPI et EDPII nous démontrons que cette technique permet de distinguer les différentes étapes de l’accumulation. Au cours d’ajustements du protocole, nous avons découvert que les AG peuvent entrer dans le cytoplasme par mechano-sensation et activation de canaux mécanosensibles (MS). Ces canaux sont connus pour avoir une affinité pour les AG. Ici pour la première fois nous montrons qu’une manipulation mécanique ouvre les canaux et stimule une entrée massive d’antibiotiques. Ce résultat inattendu pourrait permettre de mieux comprendre le mécanisme d’entrée des AG dans le cytoplasme. Après avoir étudié l’accumulation des AG dans les cellules en croissance nous avons étudié la tolérance aux AG pour les bactéries en phase de dormance : les cellules persistantes. Elles forment une sous-population parmi une population sensible. Elles sont en dormance et tolèrent de fortes doses d’antibiotiques. En absence d’antibiotique elles sortent de l’état de dormance pour reformer une population sensible à l’antibiotique. Par microscopie de fluorescence, nous montrons que les cellules persistantes ont une accumulation périphérique d’AG. Grâce à notre méthodologie, nous avons un outil performant pour identifier les différents états d’accumulation des AG. Avant cette étude il était seulement possible de connaître les niveaux d’accumulation mais la localisation de l’antibiotique demeurait inaccessible. Nous avons avec cette méthode étudié deux mutants d’E. coli, qui sont moins tolérants aux AG et identifié leurs caractéristiques d’accumulation. Enfin, nous avons développé un système de microfluidique adapté à l’étude de nos conjugués fluorescents pour étudier en temps réel l’accumulation par les cellules persistantes