Contribution to the study of the organization and the mechanical properties of biofilms exopolymer matrix models
Contribution à l’étude de l’organisation et des propriétés mécaniques d’exopolymères de matrice de biofilms modèles
Résumé
Biofilms are macromolecular structures which result from the adhesion of microorganisms to a surface. They consist of cells embedded in a network of exopolymers of biological origin which form an extracellular matrix. Biofilms pose technological and health problems in many industrial and medical domains. Understanding the mechanisms of formation of these structures is a major challenge. Despite a great diversity in the structure of biofilms, universal principles seem to govern their composition. Thus, the presence of polysaccharides such as alginate and cellulose plays a major role in their formation and in determining their mechanical properties. If the presence of protein polymers such as amyloid fibers seems to be universal within biofilms, their role in the formation and in the mechanical properties of the matrix remains to be defined. In this study, we characterized the structure and composition of monobacterial biofilms from three different species: P. aeruginosa NK 125502, S. enterica CIP 58.58 and S. epidermidis CIP 53124. We described the formation of amyloid fibers by different peptides from proteins involved in bacterial biofilm formation. Morover our results suggest the presence of this type of fiber within biofilms of Staphylococcus, but also more generally in biofilms of bacteria expressing a protein of the Bap family (Biofilm associated protein). Finally, we analyzed the mechanical properties of various synthetic matrices made of alginate and methyl-cellulose in the presence and absence of protein and amyloid peptides in order to better understand the contribution of this type of fiber on the properties of these matrices. Hence, amyloid fibers modify the mechanical properties of synthetic gels, by increasing the deformation under stress.In conclusion, this study provides new evidence for understanding the role of amyloïd fibers in the biofilm matrix strengthening. The formation of amyloid fibers by the Bap protein of S. epidermidis suggests the possibility of a general amyloid behavior in the Bap protein family. A new application of confocal laser scanning microscopy was developped: the use of the confocal microscope to image the birefringence of Congo red.
Les biofilms sont des édifices macromoléculaires qui résultent de l'adhérence de microorganismes à une surface. Ils sont constitués de cellules enchâssées dans un réseau d'exopolymères d'origine biologique qui forment une matrice extracellulaire. Les biofilms posent des problèmes technologiques et sanitaires dans de nombreux domaines, aussi bien agroalimentaire, médical, ou industriel. Comprendre les mécanismes de formation de ces structures est donc un enjeu majeur. Malgré une grande diversité de la structure des biofilms, de grands principes semblent en régir la composition. Ainsi, la présence de polysaccharides comme l'alginate et la cellulose joue un rôle majeur dans leur formation et dans la définition de leurs propriétés mécaniques. Si la présence de polymères protéiques comme les fibres amyloïdes semble avoir un caractère universel au sein des biofilms, leur rôle dans la formation de la matrice et dans ses propriétés mécaniques restait à définir. Lors de cette étude, nous avons caractérisé la structure et la composition de trois biofilms monobactériens issus de trois espèces différentes P. aeruginosa NK 125502, S. enterica CIP 58.58 et S. epidermidis CIP 53.124. Nous avons décrit la formation de fibres amyloïdes par différents peptides issus de protéines bactériennes impliquées dans la formation de biofilm et montré par différentes techniques qu'ils sont capables de former des fibres amyloïdes. Nous avons notamment identifié un peptide amyloïde, suggérant la présence de ce type de fibre au sein des biofilms de Staphylococcus, mais aussi plus généralement dans les biofilms des espèces exprimant une protéine de type Bap (Biofilm associated protein). Enfin, nous avons analysé les propriétés mécaniques de différentes matrices synthétiques à base d'alginate et de méthyl-cellulose, en présence et en absence de protéines et de peptides amyloïdes afin de mieux comprendre l'apport qu'a ce type de fibre sur les propriétés de ces structures. Ainsi, les fibres amyloïdes modifient les propriétés mécaniques des gels synthétiques, permettant d'augmenter la déformation sous contrainte. En conclusion, ce travail apporte de nouveaux éléments pour la compréhension du rôle des fibres amyloïdes dans le renforcement de la matrice du biofilm. La capacité à former des fibres amyloïdes par un peptide issu de la protéine Bap de S. epidermidis suggère que cette propriété est plus largement présente au sein de cette famille de protéines. Les travaux menés au cours de cette thèse, et l'ensemble des techniques utilisées, avec notamment la mise au point de l'observation de la biréfringence du rouge Congo par microscopie confocale permettront de développer les études sur cette famille de protéines amyloïdes ainsi que sur les matrices complexes de type biofilm
Origine : Version validée par le jury (STAR)