New methods for detecting antibiotic resistant bacteria and preventing their spread

Methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) bacteria have emerged in the early 1980's in numerous health care institutions around the world. The main transmission mechanism within hospitals and healthcare facilities is through the hands of health care workers. Resistant to several antibiotics, the MRSA is one of the most feared pathogens in the hospital setting since it is very difficult to eradicate with the standard treatments. There are still a limited number of anti-MRSA antibiotics but the first cases of resistance to these compounds have already been reported and their frequency is likely to increase in the coming years. Every year, the MRSA infections result in major human and financial costs, due to the high associated mortality and expenses related to the required care. Measures towards a faster detection of resistant bacteria and establishment of appropriate antibiotic treatment parameters are fundamental. Also as part as infection prevention, diminution of bacteria present on the commonly touched surfaces could also limit the spread and selection of antibiotic resistant bacteria. During my thesis, projects were developed around MRSA and antibiotic resistance investigation using innovative technologies. The thesis was subdivided in three main parts with the use of atomic force microscopy AFM for antibiotic resistance detection in part 1, the importance of the bacterial inoculum size in the selection of antibiotic resistance in part 2 and the testing of antimicrobial surfaces creating by sputtering copper onto polyester in part 3. In part 1 the AFM was used two different ways, first for the measurement of stiffness (elasticity) of bacteria and second as a nanosensor for antibiotic susceptibility testing. The stiffness of MRSA with different susceptibility profiles to vancomycin was investigated using the stiffness tomography mode of the AFM and results have demonstrated and increased stiffness in the vancomycin resistant strains that also paralleled with increased thickness of the bacterial cell wall. Parts of the AFM were also used to build a new antibiotic susceptibility-testing device. This nano sensor was able to measure vibrations emitted from living bacteria that ceased definitively upon antibiotic exposure to which they were susceptible but restarted after antibiotic removal to which they were resistant, allowing in a matter of minute the assessment of antibiotic susceptibility determination. In part 2 the inoculum effect (IE) of vancomycin, daptomycin and linezolid and its importance in antibiotic resistance selection was investigated with MRSA during a 15 days of cycling experiment. Results indicated that a high bacterial inoculum and a prolonged antibiotic exposure were two key factors in the in vitro antibiotic resistance selection in MRSA and should be taken into consideration when choosing the drug treatment. Finally in part 3 bactericidal textile surfaces were investigated against MRSA. Polyesters coated after 160 seconds of copper sputtering have demonstrated a high bactericidal activity reducing the bacterial load of at least 3 logio after one hour of contact. -- Au cours des dernières décennies, des bactéries multirésistantes aux antibiotiques (BMR) ont émergé dans les hôpitaux du monde entier. Depuis lors, le nombre de BMR et la prévalence des infections liées aux soins (IAS) continuent de croître et sont associés à une augmentation des taux de morbidité et de mortalité ainsi qu'à des coûts élevés. De plus, le nombre de résistance à différentes classes d'antibiotiques a également augmenté parmi les BMR, limitant ainsi les options thérapeutiques disponibles lorsqu'elles ont liées a des infections. Des mesures visant une détection plus rapide des bactéries résistantes ainsi que l'établissement des paramètres de traitement antibiotiques adéquats sont primordiales lors d'infections déjà présentes. Dans une optique de prévention, la diminution des bactéries présentes sur les surfaces communément touchées pourrait aussi freiner la dissémination et l'évolution des bactéries résistantes. Durant ma thèse, différents projets incluant des nouvelles technologies et évoluant autour de la résistance antibiotique ont été traités. Des nouvelles technologies telles que le microscope à force atomique (AFM) et la pulvérisation cathodique de cuivre (PCC) ont été utilisées, et le Staphylococcus aureus résistant à la méticilline (SARM) a été la principale BMR étudiée. Deux grandes lignes de recherche ont été développées; la première visant à détecter la résistance antibiotique plus rapidement avec l'AFM et la seconde visant à prévenir la dissémination des BMR avec des surfaces crées grâce à la PCC. L'AFM a tout d'abord été utilisé en tant que microscope à sonde locale afin d'investiguer la résistance à la vancomycine chez les SARMs. Les résultats ont démontré que la rigidité de la paroi augmentait avec la résistance à la vancomycine et que celle-ci corrélait aussi avec une augmentation de l'épaisseur des parois, vérifiée grâce à la microscopie électronique. Des parties d'un AFM ont été ensuite utilisées afin de créer un nouveau dispositif de test de sensibilité aux antibiotiques, un nanocapteur. Ce nanocapteur mesure des vibrations produites par les bactéries vivantes. Après l'ajout d'antibiotique, les vibrations cessent définitivement chez les bactéries sensibles à l'antibiotique. En revanche pour les bactéries résistantes, les vibrations reprennent après le retrait de l'antibiotique dans le milieu permettant ainsi, en l'espace de minutes de détecter la sensibilité de la bactérie à un antibiotique. La PCC a été utilisée afin de créer des surfaces bactéricides pour la prévention de la viabilité des BMR sur des surfaces inertes. Des polyesters finement recouverts de cuivre (Cu), connu pour ses propriétés bactéricides, ont été produits et testés contre des SARMs. Une méthode de détection de viabilité des bactéries sur ces surfaces a été mise au point, et les polyesters obtenus après 160 secondes de pulvérisation au Cu ont démontré une excellente activité bactéricide, diminuant la charge bactérienne d'au moins 3 logio après une heure de contact. En conclusion, l'utilisation de nouvelles technologies nous a permis d'évoluer vers de méthodes de détection de la résistance antibiotique plus rapides ainsi que vers le développement d'un nouveau type de surface bactéricide, dans le but d'améliorer le diagnostic et la gestion des BMR.

Pathways for the synthesis of polyesters in plants; cutin, suberin, and polyhydroxyalkanoates

Plants naturally produce the lipid-derived polyester cutin, which is found in the plant cuticle that is deposited at the outermost extracellular matrix of the epidermis covering nearly all aboveground tissues. Being at the interface between the cell and the external environment, cutin and the cuticle play important roles in the protection of plants from several stresses. A number of enzymes involved in the synthesis of cutin monomers have recently been identified, including several P450s and one acyl-CoA synthetase, thus representing the first steps toward the understanding of polyester formation and, potentially, polyester engineering to improve the tolerance of plants to stresses, such as drought, and for industrial applications. However, numerous processes underlying cutin synthesis, such as a controlled polymerization, still remain elusive. Suberin is a second polyester found in the extracellular matrix, most often synthesized in root tissues and during secondary growth. Similar to cutin, the function of suberin is to seal off the respective tissue to inhibit water loss and contribute to resistance to pathogen attack. Being the main constituent of cork, suberin is a plant polyester that has already been industrially exploited. Genetic engineering may be worth exploring in order to change the polyester properties for either different applications or to increase cork production in other species. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are attractive polyesters of 3-hydroxyacids because of their properties as bioplastics and elastomers. Although PHAs are naturally found in a wide variety of bacteria, biotechnology has aimed at producing these polymers in plants as a source of cheap and renewable biodegradable plastics. Synthesis of PHA containing various monomers has been demonstrated in the cytosol, plastids, and peroxisomes of plants. Several biochemical pathways have been modified in order to achieve this, including the isoprenoid pathway, the fatty acid biosynthetic pathway, and the fatty acid β-oxidation pathway. PHA synthesis has been demonstrated in a number of plants, including monocots and dicots, and up to 40% PHA per gram dry weight has been demonstrated in Arabidopsis thaliana. Despite some successes, production of PHA in crop plants remains a challenging project. PHA synthesis at high level in vegetative tissues, such as leaves, is associated with chlorosis and reduced growth. The challenge for the future is to succeed in synthesis of PHA copolymers with a narrow range of monomer compositions, at levels that do not compromise plant productivity. This goal will undoubtedly require a deeper understanding of plant biochemical pathways and how carbon fluxes through these pathways can be manipulated, areas where plant "omics" can bring very valuable contributions.

Apoplastic polyesters in Arabidopsis surface tissues--a typical suberin and a particular cutin.

Cutinized and suberized cell walls form physiological important plant-environment interfaces as they act as barriers limiting water and nutrient loss and protect from radiation and invasion by pathogens. Due to the lack of protocols for the isolation and analysis of cutin and suberin in Arabidopsis, the model plant for molecular biology, mutants and transgenic plants with a defined altered cutin or suberin composition are unavailable, causing that structure and function of these apoplastic barriers are still poorly understood. Transmission electron microscopy (TEM) revealed that Arabidopsis leaf cuticle thickness ranges from only 22 nm in leaf blades to 45 nm on petioles, causing the difficulty in cuticular membrane isolation. We report the use of polysaccharide hydrolases to isolate Arabidopsis cuticular membranes, suitable for depolymerization and subsequent compositional analysis. Although cutin characteristic omega-hydroxy acids (7%) and mid-chain hydroxylated fatty acids (8%) were detected, the discovery of alpha,omega-diacids (40%) and 2-hydroxy acids (14%) as major depolymerization products reveals a so far novel monomer composition in Arabidopsis cutin, but with chemical analogy to root suberin. Histochemical and TEM analysis revealed that suberin depositions were localized to the cell walls in the endodermis of primary roots and the periderm of mature roots of Arabidopsis. Enzyme digested and solvent extracted root cell walls when subjected to suberin depolymerization conditions released omega-hydroxy acids (43%) and alpha,omega-diacids (24%) as major components together with carboxylic acids (9%), alcohols (6%) and 2-hydroxyacids (0.1%). This similarity to suberin of other species indicates that Arabidopsis roots can serve as a model for suberized tissue in general.

Production of polyesters in transgenic plants.

Polyhydroxyalkanoates (PHAs) are bacterial polyesters having the properties of biodegradable thermoplastics and elastomers. Synthesis of PHAs has been demonstrated in transgenic plants. Both polyhydroxybutyrate and the co-polymer poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) have been synthesized in the plastids of Arabidopsis thaliana and Brassica napus. Furthermore, a range of medium-chain-length PHAs has also been produced in plant peroxisomes. Development of agricultural crops to produce PHA on a large scale and at low cost will be a challenging task requiring a coordinated and stable expression of several genes. Novel extraction methods designed to maximize the use of harvested plants for PHA, oil, carbohydrate, and feed production will be needed. In addition to their use as plastics, PHAs can also be used to modify fiber properties in plants such as cotton. Furthermore, PHA can be exploited as a novel tool to study the carbon flux through various metabolic pathways, such as the fatty acid beta-oxidation cycle.

Le fait de ne pas informer un enfant quant à sa paternité biologique, dans le cas ou celle-ci est douteuse ou différente de la paternité légale, relève-t-il de la matraitance ?

La connaissance de ses origines biologiques est une question constitutive et existentielle pour chaque individu. Dans les cas d'incertitude, les expertises en paternité apportent leur contribution dans l'inclusion ou l'exclusion d'un lien de paternité/filiation biologique. La sous-commission « Filiation et droits de l'enfant » a été chargée d'apporter une réponse à plusieurs questions sur les origines biologiques dont la question suivante : "S'il est considéré comme étant de la maltraitance envers un enfant de lui cacher la véritable identité de son père biologique (marié à sa mère ou pas) ?» La sous-commission a entrepris un travail de réflexion et a départagé la question en 3 volets : juridique, psychologique et médical. Le but de notre travail est d'apporter une réponse médicale, fondée sur l'expérience pratique des médecins, à la question suivante : « Le fait de ne pas informer un enfant quant à sa paternité biologique, dans le cas ou celle-ci est douteuse ou différente de la paternité légale, relève-t-il de la maltraitance ? » Nous présentons tout d'abord une revue de la littérature concernant les sujets de la paternité, de la filiation, de la maltraitance. Nous avons consulté 935 praticiens généralistes, psychiatres et pédiatres par le biais d'un questionnaire à choix multiple de 25 questions et nous avons analysé les 263 exemplaires retournés. Nous avons investigué la révélation des patients aux médecins, la révélation aux enfants (par qui, à quel âge, etc.), le vécu des patients et des enfants, l'avis des praticiens sur le sujet de la révélation, de la connaissance des origines biologiques, de la maltraitance, leurs conseils, etc. Nous observons que 93 praticiens ont été les confidents de situations de paternité légales différentes de la paternité biologique ou d'un doute à ce sujet. D'après les médecins, les patients (les mères, les pères et les enfants) vivent généralement mal la situation de paternité particulière. La moitié des enfants concernés étaient informés de leur filiation atypique. La majorité des enfants informés se sentaient victimes. Une proportion élevée de problèmes affectifs et psychologiques était signalée parmi les enfants informés et non informés. A la question ci-dessus, nous avons observé une différence entre la réponse globale des praticiens consultés et la littérature psychologique et psychiatrique relative au secret des origines. Nous apportons également une réflexion sur la situation des enfants dont la filiation est particulière et sur une hypothèse de prise en charge de ces patients.