Potentiel antimicrobien du pigment microalgal marin marennine sur Vibrio splendidus : étude de son interaction membranaire par résonance magnétique nucléaire

Bouhlel, Zeineb (2019). Potentiel antimicrobien du pigment microalgal marin marennine sur Vibrio splendidus : étude de son interaction membranaire par résonance magnétique nucléaire. Thèse. Rimouski, Québec, Université du Québec à Rimouski, Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER), 268 p.

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Résumé

RÉSUMÉ: L'aquaculture est un secteur de production alimentaire dont la croissance est la plus rapide dans le monde. Cependant, cette activité fait face à plusieurs problèmes d'ordre pathologique, où les animaux en élevage sont souvent sous la menace des infections bactériennes qui pourraient engendrer des mortalités. Dans le milieu marin, les bactéries du genre Vibrio sont parmi les espèces les plus problématiques, en raison de leur large distribution mondiale, de leur grande capacité d'adaptation aux milieux aquatiques et de leur grande diversité génétique. Au Québec, l'élevage des bivalves est parmi les secteurs aquacoles les plus importants. Bien que pour l'instant la production de juvéniles provienne essentiellement du milieu naturel, le développement des écloseries apportera des problématiques sanitaires nouvelles liées à la plus grande sensibilité des larves aux pathologies bactériennes. Ce type d'élevage est particulièrement sensible à la prolifération de plusieurs espèces de Vibrio, tel que V. splendidus, qui est opportuniste et peut causer des mortalités massives dans les élevages larvaires. Devant les limitations importantes d'utilisation des antibiotiques chimiques, les écloseurs font face à des risques de pertes économiques importantes occasionnées par les infections bactériennes. Toutefois, la "marennine" représente une solution potentielle qui pourrait limiter la virulence de V. splendidus. La marennine est un pigment naturel secrété par des microalgues diatomées Haslea ostrearia et elle constituerait une alternative aux antibiotiques conventionnels, plus respectueuse de la santé animale, de la santé humaine et de l'environnement.
Cependant, le mécanisme d'action de la marennine sur les bactéries aquatiques est encore méconnu. Dans une tentative de valorisation de la marennine comme un agent antibactérien, nous avons étudié dans cette thèse, le mécanisme d'interaction moléculaire du pigment avec les bactéries V. splendidus. Notre hypothèse localise son interaction au niveau des lipides de la paroi bactérienne, principal siège d'échange avec l'environnement extérieur. Plus spécifiquement, nous avons exploité les effets du pigment, à une faible et à une forte concentration (concentration minimale inhibitrice), et sur les composantes hydrophiles et hydrophobes des phospholipides membranaires. Afin de mettre en évidence cette interaction, nous avons utilisé essentiellement la résonance magnétique nucléaire de l'état solide (RMN-ÉS). Nous avons utilisé la RMN du deutérium qui permet d'examiner la fluidité membranaire des chaines acyles de la bactérie à l'échelle atomique sans la perturber, ainsi que la RMN du phosphore qui permet d'étudier les changements associés aux têtes polaires. Des méthodes complémentaires ont été également mises en place, comme les méthodes microbiologiques ainsi que les analyses physico-chimiques et chromatographiques (GCMS), pour décrire davantage les processus associés à l'interaction.
Les résultats ont abouti pour la première fois au développement d'un protocole de marquage isotopique sélectif des membranes de V. splendidus, tout en respectant leur physiologie et leur intégrité cellulaire. Ainsi, nous avons pu mesurer en temps réel l'organisation et la dynamique membranaire par RMN in vivo. Cette étape représente une approche innovatrice vers le raffinement des mécanismes d'action de contaminants et de composés bioactifs de l'environnement aquatique sur les microorganismes. Nous avons aussi démontré dans une seconde étape que la marennine occasionne un effet perturbateur de l'intégrité de la bactérie en agissant sur la fluidité membranaire. La marennine a montré que celle-ci occasionne une augmentation de la rigidité des phospholipides. Un tel effet est comparé avec celui d'un antibiotique utilisé en aquaculture - la polymyxine. Finalement, pour étudier l'effet de la marennine sur les têtes polaires, nous avons utilisé des membranes modèles de V. splendidus qui sont composées de phosphoéthanolamine, de phosphatidylglycérol et de cardiolipines.
Nous avons démontré qu'à des concentrations élevées, la marennine induit un changement dans la configuration et les phases lipidiques. Elle a permis également de souligner le rôle possible des interactions électrostatiques induites par les charges négatives du pigment. L'ensemble de ces résultats sont discutés dans cette thèse, pour aboutir à un mécanisme d'interaction que nous proposons. Ce travail représente une plateforme utile pour des applications futures de la marennine ainsi que pour les recherches qui utiliseraient la RMN in vivo. -- Mot(s) clé(s) en français : Vibrio splendidus, marennine, Résonance magnétique nucléaire de l'état solide, marquage isotopique, membranes, phospholipides, acides gras, tête polaire, mécanisme d'action. -- ABSTRACT: Aquaculture is one of the most growing food production sectors in the world. However, this activity faces several pathology problems as farmed animals are often threatened by bacterial infections that may cause mortality. In marine environments, Vibrio bacteria are the most problematic species, due to their wide global distribution, their large adaptability to aquatic environments, and to their high genetic diversity. In Québec, bivalve farming is one of the most important aquaculture sectors. Today, most of spat and juvenile production comes from natural environments. However, with the development of industrial hatcheries, new sanitary problems such as extreme sensitivity of larvae to bacteria, are more expected in the future. The proliferation of Vibrio species, like V. splendidus, an opportunistic bacterium causing frequent mortality in larval culture, could be particularly problematic. With the very limiting use of chemical antibiotics, commercial hatchery risks important economic losses induced by bacterial infections. On the other hand, "marennine" constitutes a potential solution to limit V. splendidus pathogenicity due to its antibacterial activity. Marennine is a natural pigment secreted by the microalgae diatoms, Haslea ostrearia species, and would be an alternative to the conventional antibiotics, more suitable to animal health, to the human consumption and to the environment. Nevertheless, marennine action mechanism on aquatic bacteria is still unknown.
In an attempt to value marennine as a potential antibacterial agent, we have studied, in this thesis, the molecular interaction mechanism of the pigment with V. splendidus bacteria. Our hypothesis locates its interaction with the lipid bacterial membrane. More specifically, we explored the effects of the pigment, at a low and at a high concentration (minimum inhibitory concentration), on the hydrophilic and hydrophobic membrane phospholipid components. To highlight this interaction, we essentially used solid-state nuclear magnetic resonance (SS-NMR) - a non-destructive method. We used deuterium NMR to examine the fluidity of the bacteria membrane lipids at the molecular level, as well as phosphorus NMR to study perturbations of the lipid polar headgroups. Complementary methods have also been used, such as microbiological methodologies, physicochemical and chromatographic analyses (GCMS) to further describe processes that are associated with the interaction. The results led for the first time to a protocol to isotopically and selectively label V. splendidus membranes - which respects bacterial physiology and cell integrity - to measure membrane dynamics and organization by in vivo NMR. This step represents an innovative approach to elucidate the action mechanism, towards microorganisms, of contaminants and bioactive compounds from the aquatic environment.
We also demonstrated, in a second step, that marennine has a disruptive effect on the integrity of the bacterium by acting on membrane fluidity. Marennine caused an increase in phospholipid rigidity. Such effect is compared to that of a widely used antibiotic in aquaculture - polymyxin. Finally, to elucidate the effect of marennine on lipid polar headgroups, we used model membranes of V. splendidus composed of phosphoethanolamine, phosphatidylglycerol and cardiolipin. This part showed that at high concentrations, marennine induces changes in lipid organization and phase. It also emphasizes a possible role of electrostatic interactions, induced by the negative charges of the pigment. Altogether, the results presented in this thesis help proposing an interaction mechanism. This work represents a useful platform for future applications of marennine as well as for in vivo NMR approaches. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Vibrio splendidus, marennine, SS-NMR, isotopic labelling, membranes, phospholipids, fatty acids, polar headgroups, mechanism.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Thèse)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Tremblay, Réjean
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Marcotte, Isabelle
Information complémentaire :	Thèse présentée dans le cadre du programme de doctorat en océanographie en vue de l'obtention du grade de philosophiae doctor (Ph.D.).
Mots-clés :	Marennine Pigment Agent Action Antibacterien Antimicrobien Vibrio Splendidus Aquaculture
Départements et unités départementales :	Institut des sciences de la mer de Rimouski (ISMER) > Océanographie
Déposé par :	DIUQAR UQAR
Date de dépôt :	23 oct. 2020 15:05
Dernière modification :	23 oct. 2020 15:05
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/1637

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