Advanced microscopies for the study of motility behavior in predating Myxococcus xanthus
Microscopies avancées pour l'étude du comportement de motilité durant la prédation chez Myxococcus xanthus
Résumé
Myxococcus xanthus, a gram-negative predatory soil bacterium, assembles multicellular colonies to collectively predate on other microorganisms. The process of predation, and more specifically prey foraging and the gradual killing of prey colonies, relies heavily on surface colonization, which M. xanthus achieves by moving out of their colony perimeter. M. xanthus motility is driven by two genetically-independent motility molecular machines. Adventurous (A) motility drives the movement of individual cells to forage, while social (S) motility powers the collective motion of large groups of cells behind the invasion front. To date, it remains unclear how single-cell motion influences colony penetration and percolation through the prey colony, and more specifically, what are the respective roles of the adventurous (A-) and social (S-) motility systems in this process. In this thesis, we developed a microscopy and image analysis method to track the dynamics of single M. xanthus and prey cells during predation. More specifically, we developed a method for large-scale timelapse imaging with a high spatial resolution to track single bacterial cells during the process of predation. We combined this development with a 2D Artificial intelligence-based method for automatic semantic segmentation, and with a method to reconstruct 2D trajectories of moving M. xanthus cells. We applied this technology to study the respective roles of A- and S-motility systems and their interplay during M. xanthus predation on Escherichia coli. This allowed us to detect different types of collective cell groups based on their size and spatial distributions. Interestingly, the number and behaviour of these collective cell groups was differentially affected by the two motility mechanisms. Specifically, A-motility played key roles in driving the dynamics of collective cell groups during predation. Finally, A- and S- motilities synergistically drove prey killing. To study whether specific transcriptional patterns within and between collective cell groups drove their dynamic behavior, we developed a workflow which allowed us to explore the single-cell transcriptome of M. xanthus cells in a spatially-conserved predating colony. For this, we adopted an RNA-FISH approach to label transcripts of interest in fixed cells. Finally, we explored how motile M. xanthus cells moved through obstacles during predation. Specifically, to shed light into the mechanism driving M. xanthus movement within predating colonies, we developed a correlative AFM-optical microscopy approach that allowed us to test whether cell movement is affected by mechanical cues.
Myxococcus xanthus, une bactérie prédatrice gram-négative naturellement présente dans les sols, s’assemble sous forme de colonies multicellulaires pour attaquer collectivement d'autres microorganismes. Le processus de prédation chez M.xanthus, et spécifiquement la recherche et la destruction progressive des proies, s'effectue par une invasion progressive de la surface, bien en dehors du périmètre initiale de la colonie Le déplacement de M. xanthus est contrôlé par deux machines moléculaires génétiquement indépendantes et promouvant deux types distincts de motilité . La motilité dite “aventureuse” (A) caractérise le mouvement de cellules individuelles à la recherche de nourriture, et la motilité dite "sociale'' (S) qui caractérise le mouvement collectif de grands groupes de cellules à l’arrière du front d'invasion. Jusqu'à présent, il n’était pas clair comment le mouvement d'une seule cellule pouvait influencer la pénétration ainsi que l’infiltration au sein des colonies de proies, et en particulier, quels sont les rôles respectifs des systèmes de motilité aventureuse (A-) et sociale (S-) dans ce processus. Dans cette thèse, nous avons développé une méthode de microscopie et d'analyse d'image pour suivre la dynamique de cellules individuelles de M. xanthus et de ses proies pendant la prédation. Plus précisément, une méthode d'imagerie de type “timelapse” à grande échelle et haute résolution spatiale a été utilisée pour suivre les trajectoires de milliers de bactéries individuelles pendant le processus de prédation. Une e méthode basée sur l'intelligence artificielle a été utilisée pour la segmentation sémantique automatique, et plusieurs algorithmes ont été développés pour reconstruire les trajectoires 2D des cellules M. xanthus en mouvement. Ce travail nous a ainsi permis d’étudier les rôles respectifs des systèmes de motilité de types A et S et leurs interactions pendant la prédation de M. xanthus sur Escherichia coli. Nous avons ainsi pu distinguer différents types de groupes de cellules selon leurs tailles et leurs distributions spatiales. Il est intéressant de noter que le nombre et le comportement de ces groupes de cellules dépendent du système de motilité employé. En particulier, la motilité de type A joue un rôle clé dans l' orientation dynamique des groupes de cellules pendant la prédation. Enfin, les motilités de types A et S mènent de manière synergique à la destruction des proies. Afin d'étudier si des programmes transcriptionnels spécifiques au sein et entre les groupes de cellules sont à l'origine de leur comportement dynamique, nous avons également développé une approche permettant d'explorer l’expression de gènes d’intérêt dans des cellules individuelles de M. xanthus au sein d’une colonie prédatrice tout en préservant son intégrité spatiale. Pour cela, nous avons adopté une approche RNA-FISH permettant de marquer les gènes d'intérêt dans des cellules fixées. Enfin, nous avons exploré par une dernière approche comment les cellules mobiles de M. xanthus se déplacent à travers les obstacles pendant la prédation. Plus précisément, afin d'éclaircir le mécanisme de motilité de M. xanthus au sein des colonies de prédateurs, nous avons développé une approche corrélative AFM-microscopie optique qui nous a permis de vérifier si le mouvement des cellules est affecté par des signaux mécaniques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)