Promoters for pregenomic RNA of banana streak badnavirus are active for transgene expression in monocot and dicot plants

Two putative promoters from Australian banana streak badnavirus (BSV) isolates were analysed for activity in different plant species. In transient expression systems the My (2105 bp) and Cv (1322 bp) fragments were both shown to have promoter activity in a wide range of plant species including monocots (maize, barley, banana, millet, wheat, sorghum), dicots (tobacco, canola, sunflower, Nicotiana benthamiana, tipu tree), gymnosperm (Pinus radiata) and fern (Nephrolepis cordifolia). Evaluation of the My and Cv promoters in transgenic sugarcane, banana and tobacco plants demonstrated that these promoters could drive high-level expression of either the green fluorescent protein (GFP) or the beta -glucuronidase (GUS) reporter gene (uidA) in vegetative plant cells. In transgenic sugarcane plants harbouring the Cv promoter, GFP expression levels were comparable or higher (up to 1.06% of total soluble leaf protein as GFP) than those of plants containing the maize ubiquitin promoter (up to 0.34% of total soluble leaf protein). GUS activities in transgenic in vitro-grown banana plants containing the My promoter were up to seven-fold stronger in leaf tissue and up to four-fold stronger in root and corm tissue than in plants harbouring the maize ubiquitin promoter. The Cv promoter showed activities that were similar to the maize ubiquitin promoter in in vitro-grown banana plants, but was significantly reduced in larger glasshouse-grown plants. In transgenic in vitro-grown tobacco plants, the My promoter reached activities close to those of the 35S promoter of cauliflower mosaic virus (CaMV), while the Cv promoter was about half as active as the CaMV 35S promoter. The BSV promoters for pregenomic RNA represent useful tools for the high-level expression of foreign genes in transgenic monocots.

Re-evaluation of the cytokinin receptor role of the Arabidopsis gene GCR1

GCR1 has been tentatively identified in Arabidopsis thaliana as the first plant G-protein coupled receptor (GPCR) (Josefsson and Rask 1997) implicated in the cytokinin sensory pathway (Plakidou-Dymock et al. 1998). A protein fusion of GCR1 and green fluorescent protein has been expressed in Arabidopsis and shown GCR1 to be located on the plasma membrane. Studies of plants with altered GCR1 expression have led us to question GCR1's involvement in cytokinin signaling. Transgenic Arabidopsis plants containing sense and antisense constructs for GCR1 have been produced and over- and under-expression confirmed. The analysis of 12 antisense and 17 sense lines has failed to reveal the previously reported Dainty phenotype or altered cytokinin sensitivity. We have used the Gauntlet approach to test the plants' response to various plant hormones although this has not yet identified a mutant phenotype. The yeast-two hybrid system has been used and so far there is no evidence to suggest GCR1 interacts with heterotrimeric G proteins. Before GCR1 can be identified as genuine G-protein coupled receptor, the identification of a ligand and a proof of association with heterotrimeric G-proteins should be obtained.

The fluorolysis assay, a highly sensitive method for measuring the cytolytic activity of T cells at very low numbers

We have developed a highly sensitive cytolysis test, the fluorolysis assay, as a simple nonradioactive and inexpensive alternative to the standard Cr-51-release assay. P815 cells were stably transfected with a plasmid expressing the enhanced green fluorescent protein (EGFP) gene. These target cells were coated with or without cognate peptide or anti-CD3 Ab and then incubated with CD8(+) T cells to allow antigen-specific or nonspecific lysis. The degree of target cell lysis was measured using flow cytometry to count the percentage of viable propidium iodide(-) EGFP(+) cells, whose numbers were standardized to a reference number of fluorochrome-linked beads. By using small numbers of target cells (200-800 per reaction) and extended incubation times (up to 2 days), the antigen-specific cytolytic activity of one to two activated CD8(+) T cells of a CTL line could be detected. The redirected fluorolysis assay also measured the activity of very few ( greater than or equal to6) primary CD8(+) T cells following polyclonal activation. Importantly, antigen-specific lysis by small numbers ( greater than or equal to 25) of primary CD8(+) T cells could be directly measured ex vivo. This exquisite sensitivity of the fluorolysis assay, which was at least 8-33-folds higher than an optimized 51 Cr-release assay, allows in vitro and ex vivo studies of immune responses that would otherwise not be possible due to low CTL numbers or frequencies. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

The Mallory body as an aggresome: In vitro studies

Prior in vivo studies supported the concept that Mallory bodies (MBs) are aggresomes of cytokeratins 8 and 18. However, to test this hypothesis an in vitro model is needed to study the dynamics of MB formation. Such a study is difficult because MBs have never been induced in tissue culture. Therefore, MBs were first induced in vivo in drug-primed mice and then primary cultures of hepatocytes from these mice were studied. Two approaches were utilized: 1. Primary cultures were transfected with plasmids containing the sequence for cytokeratin 18 (CK 18) tagged with green fluorescent protein (GFP). 2. Immunofluorescent staining was used to localize the ubiquitin-proteasome pathway components involved in MB-aggresome complex formation in primary hepatocyte cultures. The cells were double stained with a ubiquitin antibody and one of the following antibodies: CK 8, CK 18, tubulin, mutant ubiquitin (UBB+ 1), transglutaminase, phosphothreonine, and the 20S and 26S proteasome subunits P25 and Tbp7, respectively. In the first approach, fluorescence was observed in keratin filaments and MBs 48 h after the cells were transfected with the CK 18 GFP plasmid. Nascent cytokeratin 18 was preferentially concentrated in MBs. Less fluorescence was observed in the normal keratin filaments. This indicated that MBs continued to form in vitro. The immunofluorescent staining of the hepatocytes showed that CK 8 and 18, ubiquitin, mutant ubiquitin (UBB+ 1), P25, Tbp7, phosphothreonine, tubulin, and transglutaminase were all located at the border or the interior of the MB. These results support the concept that MBs are aggresomes of CK 8 and CK 18 and are a result of inhibition of the ubiquitin-proteasome pathway of protein degradation possibly caused by UBB+ 1. (C) 2002 Elsevier Science.

E-cadherin homophilic ligation directly signals through Rac and phosphatidylinositol 3-kinase to regulate adhesive contacts

Classical cadherins mediate cell recognition and cohesion in many tissues of the body. It is increasingly apparent that dynamic cadherin contacts play key roles during morphogenesis and that a range of cell signals are activated as cells form contacts with one another. It has been difficult, however, to determine whether these signals represent direct downstream consequences of cadherin ligation or are juxtacrine signals that are activated when cadherin adhesion brings cell surfaces together but are not direct downstream targets of cadherin signaling. In this study, we used a functional cadherin ligand (hE/Fc) to directly test whether E-cadherin ligation regulates phosphatidylinositol 3-kinase (PI 3-kinase) and Rac signaling. We report that homophilic cadherin ligation recruits Rae to nascent adhesive contacts and specifically stimulates Rae signaling. Adhesion to hE/Fc also recruits PI 3-kinase to the cadherin complex, leading to the production of phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate in nascent cadherin contacts. Rae activation involved an early phase, which was PI 3-kinase-independent, and a later amplification phase, which was inhibited by wortmannin. PI 3-kinase and Rae activity were necessary for productive adhesive contacts to form following initial homophilic ligation. We conclude that E-cadherin is a cellular receptor that is activated upon homophilic ligation to signal through PI 3-kinase and Rae. We propose that a key function of these cadherin-activated signals is to control adhesive contacts, probably via regulation of the actin cytoskeleton, which ultimately serves to mediate adhesive cell-cell recognition.

Effects of additional sequences directly downstream from the AUG on the expression of GFP gene

We have studied the expression of the green fluorescent protein (GFP) gene to gain more understanding of the effects of additional nucleotide triplets (codons) downstream from the initiation codon on the translation of the GFP mRNA in CHO and Cos1 cells. A leader sequence of six consecutive identical codons (GUG, CUC, AGU or UCA) was introduced into a humanized GFP (hm gfp) gene downstream from the AUG to produce four GFP gene variants. Northern blot and RT-PCR analysis indicated that mRNA transcription from the GFP gene was not significantly affected by any of the additional sequences. However, immunoblotting and FACS analysis revealed that AGU and UCA GFP variants produced GFP at a mean level per cell 3.5-fold higher than the other two GFP variants and the hm gfp gene. [35S]-Methionine labeling and immunoprecipitation demonstrate that GFP synthesis was very active in UCA variant transfected-cells, but not in GUG variant and hm gfp transfected-cells. Moreover, proteasome inhibitor MG-132 treatment indicated that the GFPs encoded by each of the GFP variants and the hm gfp were equally stable, and this together with the comparable mRNA levels observed for each construct suggested that the different steady-state GFP concentrations observed reflected different translation efficiencies of the various GFP genes. In addition, the CUC GFP variant, when transiently transfected into CHO or COS-1 cells, did not produce any GFP expressing cells (fully green cells), and the GUG variant produced GFP expressing cells less than 10%, while AGU and UCA GFP variants up to 30–35% in a time course study from 8 to 36 h posttransfection. Analysis of the potential secondary structure of the GFP variant mRNAs especially in the translation initiation region suggested that the secondary structure of the GFP mRNAs was unlikely to explain the different translation efficiencies of the GFP variants. The present findings indicate that a change of the initiation context of the GFP gene by addition of extra coding sequence can alter the translation efficiency of GFP mRNA, providing a means of more efficient expression of GFP in eukaryotic cells.

GAIP participates in budding of membrane carriers at the trans-Golgi network

Galpha interacting protein (GAIP) is a regulator of G protein signaling protein that associates dynamically with vesicles and has been implicated in membrane trafficking, although its specific role is not yet known. Using an in vitro budding assay, we show that GAIP is recruited to a specific population of trans-Golgi network-derived vesicles and that these are distinct from coatomer or clathrin-coated vesicles. A truncation mutant (NT-GAIP) encoding only the N-terminal half of GAIP is recruited to trans -Golgi network membranes during the formation of vesicle carriers. Overexpression of NT-GAIP induces the formation of long, coated tubules, which are stabilized by microtubules. Results from the budding assay and from imaging in live cells show that these tubules remain attached to the Golgi stack rather than being released as carrier vesicles. NT-GAIP expression blocks membrane budding and results in the accumulation of tubular carrier intermediates. NT-GAIP-decorated tubules are competent to load vesicular stomatitis virus protein G-green fluorescent protein as post-Golgi, exocytic cargo and in cells expressing NT-GAIP there is reduced surface delivery of vesicular stomatitis virus protein G-green fluorescent protein. We conclude that GAIP functions as an essential part of the membrane budding machinery for a subset of post-Golgi exocytic carriers derived from the trans-Golgi network.

Comparison of different techniques for mouse transgenesis

RESUMO: O uso de ratinhos transgénicos em neurociências aumentou consideravelmente nos últimos anos devido ao crescente interesse em compreender o cérebro e a necessidade de solucionar situações clínicas do foro neurológico e psiquiátrico. Para esse efeito, diferentes métodos de produção de animais transgénicos têm sido testados. O objectivo desta tese foi comparar métodos de integração aleatória de um transgene no genoma de ratinhos em termos de eficiência, estabilidade da integração do transgene, número de animais e de horas de trabalho necessárias para cada método. Assim, foi comparado o método mais utilizado - microinjecção pronuclear (PNMI) - com duas outras técnicas cujo desempenho foi considerado promissor – a transferência génica através dos testículos por electroporação e transfecção por lentivírus in vivo. As três técnicas foram realizadas usando um gene repórter sob o controlo de um promotor constitutivo, e depois reproduzidas usando um gene de interesse de modo a permitir obtenção de um animal capaz de ser usado em experimentação laboratorial. O transgene de interesse utilizado codifica uma proteína de fusão correspondendo a uma variante da rodopsina (channelrhodopsin) fundida à proteína enhanced yellow fluorescente protein ((EYFP) resultando num produto designado ChR2-EYFP. Este animal transgénico apresentaria expressão deste canal iónico apenas em células dopaminergicas, o que, com manipulação optogenética, tornaria possivel a activação especifica deste grupo de neurónios e, simultaneamente, a observação do impacto desta manipulação no comportamento num animal em livre movimento. Estas ferramentas são importantes na investigação básica em neurociências pois ajudam a esclarecer o papel de grupos específicos de neurónios e compreender doenças como a doença de Parkinson ou a esquizofrenia onde a função de certos tipos de neurónios de encontra alterada. Quando comparados os três métodos realizados verifica-se que usando um gene repórter PMNI resulta em 31,3% de, a de animais transgénicos obtidos, a electroporação de testículos em 0% e a injecção de lentivírus em 0%. Quando usado o gene de interesse, os resultados obtidos são, respectivamente, 18,8%, 63,9% e 0%.--------------ABSTRACT: The use of transgenic mice is increasing in all fields of research, particularly in neuroscience, due to the widespread need of animal models to solve neurological and psychiatric medical conditions. Different methodologies have been tested in the last decades in order to produce such transgenic animals. The ultimate goal of this thesis is to compare different methods of random integration of a transgene in the genome of mice in terms of efficiency, stability of the transgene integration, number of animals required and the labour intensity of each technique. We compared the most used method – pronuclear microinjection (PNMI) – with two other promising techniques – Testis Mediated Gene Transfer (TMGT) by electroporation and in vivo lentiviral transfection. The three techniques were performed using a reporter gene – green fluorescent protein (GFP), whose transcription was driven by the constitutive cytomegalovirus (CMV) promoter. These three techniques were later reproduced using the tyrosine hydroxylase promoter (TH) and the neuronal manipulator, channelrhodopsin-2 fused to the enhanced yellow fluorescent reporter protein (ChR2-EYFP). The transgenic animal we sough to produce would express the light driven channel only in dopaminergic cells, making possible to specifically activate this group of neurons, while simultaneously observe the behaviour in a freely moving animal. This is a very important tool in basic neuroscience research since it helps to clarify the role of specific groups of neurons, map circuits in the brain, and consequently understand neurological diseases such as Parkinson’s disease or schizophrenia, where the function of certain types of neurons is affected. When comparing the three methods, it was verified that using a reporter gene PNMI resulted in 31.3% of transgenic mice obtained, testis electroporation in 0% and lentiviral injection in 0%. When using the gene of interest, the results obtained were, respectively, 18.8%, 63.9% and 0%.

Experimental Model of Gene Transfection in Healthy Canine Myocardium: Perspectives of Gene Therapy for Ischemic Heart Disease

OBJECTIVE: To assess the transfection of the gene that encodes green fluorescent protein (GFP) through direct intramyocardial injection. METHODS: The pREGFP plasmid vector was used. The EGFP gene was inserted downstream from the constitutive promoter of the Rous sarcoma virus. Five male dogs were used (mean weight 13.5 kg), in which 0.5 mL of saline solution (n=1) or 0.5 mL of plasmid solution containing 0.5 µg of pREGFP/dog (n=4) were injected into the myocardium of the left ventricular lateral wall. The dogs were euthanized 1 week later, and cardiac biopsies were obtained. RESULTS: Fluorescence microscopy showed differences between the cells transfected and not transfected with pREGFP plasmid. Mild fluorescence was observed in the cardiac fibers that received saline solution; however, the myocardial cells transfected with pREGFP had overt EGFP expression. CONCLUSION: Transfection with the EGFP gene in healthy canine myocardium was effective. The reproduction of this efficacy using vascular endothelial growth factor (VEGF) instead of EGFP aims at developing gene therapy for ischemic heart disease.

Charakterisierung des heterolog exprimierten metabotropen purinergen P2Y1-Rezeptors aus dem Hirn der Ratte (rP2Y1) in HEK293-Zellen

GPCR, Purinergic receptor, green fluorescent protein, human embryonic kidney (HEK293) cells, receptor regulation, desensitization, ca2+ signalling, heterologous expression

Estudi de les alteracions en la capacitat neuroprotectora dels astròcits reactius en l'envelliment

En el periodo 2005-2008 hemos publicado tres artículos sobre las alteraciones de los astrocitos reactivos en el cerebro durante el envejecimiento. En el primer estudio, evaluamos la capacidad neuroprotectora de los astrocitos en un modelo experimental in vitro de envejecimiento. Los cambios en el estrés oxidativo, la captación del glutamato y la expresión proteica fueron evaluados en los astrocitos corticales de rata cultivados durante 10 y 90 días in vitro (DIV). Los astrocitos envejecidos tenían una capacidad reducida de mantener la supervivencia neuronal. Estos resultados indican que los astrocitos pueden perder parcialmente su capacidad neuroprotectora durante el envejecimiento. En el segundo estudio el factor neurotrófico derivado de la línea glial (GDNF) fue probado para observar sus efectos neurotróficos contra la atrofia neuronal que causa déficits cognitivos en la vejez. Las ratas envejecidas Fisher 344 con deficiencias en el laberinto de Morris recibieron inyecciones intrahippocampales de un vector lentiviral que codifica GDNF humano en los astrocitos o del mismo vector que codifica la proteína fluorescente verde humana como control. El GDNF secretado por los astrocitos mejoró la función de la neurona como se muestra por aumentos locales en la síntesis de los neurotransmisores acetilcolina, dopamina y serotonina. El aprendizaje espacial y la prueba de memoria demostraron un aumento significativo en las capacidades cognitivas debido a la exposición de GDNF, mientras que las ratas control mantuvieron sus resultados al nivel del azar. Estos resultados confirman el amplio espectro de la acción neurotrófica del GDNF y abre nuevas posibilidades de terapia génica para reducir la neurodegeneración asociada al envejecimiento. En el último estudio, examinamos cambios en la fosforilación de tau, el estrés oxidativo y la captación de glutamato en los cultivos primarios de astrocitos corticales de ratones neonatos de senescencia acelerada (SAMP8) y ratones resistentes a la senescencia (SAMR1). Nuestros resultados indican que las alteraciones en cultivos del astrocitos de los ratones SAMP8 son similares a las detectadas en cerebros enteros de los ratones SAMP8 de 1-5 meses de edad. Por otra parte, nuestros resultados sugieren que esta preparación in vitro es adecuada para estudiar en este modelo murino el envejecimiento temprano y sus procesos moleculares y celulares.

Recombinant adeno-associated virus serotype 6 (rAAV2/6)-mediated gene transfer to nociceptive neurons through different routes of delivery.

BACKGROUND: Gene transfer to nociceptive neurons of the dorsal root ganglia (DRG) is a promising approach to dissect mechanisms of pain in rodents and is a potential therapeutic strategy for the treatment of persistent pain disorders such as neuropathic pain. A number of studies have demonstrated transduction of DRG neurons using herpes simplex virus, adenovirus and more recently, adeno-associated virus (AAV). Recombinant AAV are currently the gene transfer vehicles of choice for the nervous system and have several advantages over other vectors, including stable and safe gene expression. We have explored the capacity of recombinant AAV serotype 6 (rAAV2/6) to deliver genes to DRG neurons and characterized the transduction of nociceptors through five different routes of administration in mice. RESULTS: Direct injection of rAAV2/6 expressing green fluorescent protein (eGFP) into the sciatic nerve resulted in transduction of up to 30% eGFP-positive cells of L4 DRG neurons in a dose dependent manner. More than 90% of transduced cells were small and medium sized neurons (< 700 microm 2), predominantly colocalized with markers of nociceptive neurons, and had eGFP-positive central terminal fibers in the superficial lamina of the spinal cord dorsal horn. The efficiency and profile of transduction was independent of mouse genetic background. Intrathecal administration of rAAV2/6 gave the highest level of transduction (approximately 60%) and had a similar size profile and colocalization with nociceptive neurons. Intrathecal administration also transduced DRG neurons at cervical and thoracic levels and resulted in comparable levels of transduction in a mouse model for neuropathic pain. Subcutaneous and intramuscular delivery resulted in low levels of transduction in the L4 DRG. Likewise, delivery via tail vein injection resulted in relatively few eGFP-positive cells within the DRG, however, this transduction was observed at all vertebral levels and corresponded to large non-nociceptive cell types. CONCLUSION: We have found that rAAV2/6 is an efficient vector to deliver transgenes to nociceptive neurons in mice. Furthermore, the characterization of the transduction profile may facilitate gene transfer studies to dissect mechanisms behind neuropathic pain.

Global transcriptome sequencing identifies chlamydospore specific markers in Candida albicans and Candida dubliniensis.

Candida albicans and Candida dubliniensis are pathogenic fungi that are highly related but differ in virulence and in some phenotypic traits. During in vitro growth on certain nutrient-poor media, C. albicans and C. dubliniensis are the only yeast species which are able to produce chlamydospores, large thick-walled cells of unknown function. Interestingly, only C. dubliniensis forms pseudohyphae with abundant chlamydospores when grown on Staib medium, while C. albicans grows exclusively as a budding yeast. In order to further our understanding of chlamydospore development and assembly, we compared the global transcriptional profile of both species during growth in liquid Staib medium by RNA sequencing. We also included a C. albicans mutant in our study which lacks the morphogenetic transcriptional repressor Nrg1. This strain, which is characterized by its constitutive pseudohyphal growth, specifically produces masses of chlamydospores in Staib medium, similar to C. dubliniensis. This comparative approach identified a set of putatively chlamydospore-related genes. Two of the homologous C. albicans and C. dubliniensis genes (CSP1 and CSP2) which were most strongly upregulated during chlamydospore development were analysed in more detail. By use of the green fluorescent protein as a reporter, the encoded putative cell wall related proteins were found to exclusively localize to C. albicans and C. dubliniensis chlamydospores. Our findings uncover the first chlamydospore specific markers in Candida species and provide novel insights in the complex morphogenetic development of these important fungal pathogens.

Ligand binding transmits conformational changes across the membrane-spanning region to the intracellular side of the 5-HT3 serotonin receptor.

Conformational changes of channel activation: Five enhanced green fluorescent protein (EGFP) molecules (green cylinders) were integrated into the intracellular part of the homopentameric ionotropic 5-HT3 receptor. This allowed the detection of extracellular binding of fluorescent ligands (?) to EGFP by FRET, and also enabled the quantification of agonist-induced conformational changes in the intracellular region of the receptor by homo-FRET between EGFPs. The approach opens novel ways for probing receptor activation and functional screening of therapeutic compounds.

On the use of reporter bacteria for measuring availability of organic contaminants

Natural environments are constantly challenged by the release of hydrophobic organic contaminants, which represent a threat for both the ecosystem and human health. Despite a substantial degradation by naturally occurring micro-organisms, a non negligible fraction of these pollutants tend to persist in soil and sediments due to their reduced accessibility to microbial degraders. This lack of 'bioavailability' is acknowledged as a key parameter for the natural and stimulated clean-up (bioremediation) of contaminated sites. We developed a bacterial bioreporter that responds to the presence of polyaromatic hydrocarbons (PAHs) by the production of the green fluorescent protein (GFP), based on the PAH-degrading bacterium Burkholderia sartisoli. We showed in this study that the bacterial biosensor B. sartisoli strain RP037 was faithfully reporting the degradation of naphthalene and phenanthrene (two PAHs of low molecular weight) via the production of GFP. What is more, the magnitude of GFP induction was influenced by change in the PAH flux triggered by a variety of physico-chemical parameters, such as the contact surface between the pollutant and the aqueous suspension. Further experiments permitted to test the influence of dissolved organic matter, which is an important component of natural habitats and can interact with organic pollutants. In addition, we tested the influence of two types of biosurfactants (tensio-active agents produced by living organisms) on phenanthrene's degradation by RP037. Interestingly, the surfactant's effects on the biodegradation rate appeared to depend on the type of biosurfactant and probably on the type of bacterial strain. Finally, we tagged B. sartisoli strain RP037 with a constitutively expressed mCherry fluorescent protein. The presence of mCherry allowed us to visualize the bacteria in complex samples even when GFP production was not induced. The new strain RP037-mChe embedded in a gel patch was used to detect PAH fluxes from a point source, such as a non-aqueous liquid or particles of contaminated soil. In parallel, we also developed and tested a so-called multiwell bacterial biosensor platform, which permitted the simultaneous use of four different reporter strains for the detection of major crude oil components (e.g., saturated hydrocarbons, mono- and polyaromatics) in aqueous samples. We specifically constructed the strain B. sartisoli RP007 (pPROBE-phn-luxAB) for the detection of naphthalene and phenanthrene. It was equipped with a reporter plasmid similar to the one in strain RP037, except that the gfp gene was replaced by the genes luxAB, which encoded the bacterial luciferase. The strain was implemented in the biosensor platform and detected an equivalent naphthalene concentration in oil spilled-sea water. We also cloned the gene for the transcriptional activator AlkS and the operator/promoter region of the operon alkSB1GHJ from the alkane-degrader bacterium Alcanivorax borkumensis strain SK2 in order to construct a new bacterial biosensor with higher sensitivity towards long-chain alkanes. However, the resulting strain showed no increased light emission in presence of tetradecane (C14), while it still efficiently reported low concentrations of octane (C8). RÉSUMÉ : Les écosystèmes naturels sont constamment exposés à nombre de contaminants organiques hydrophobes (COHs) d'origine industrielle, agricole ou même naturelle. Les COHs menacent à la fois l'environnement, le bien-être des espèces animales et végétales et la santé humaine, mais ils peuvent être dégradés par des micro-organismes tels que les bactéries et les champignons, qui peuvent être capables des les transformer en produits inoffensifs comme le gaz carbonique et l'eau. La biodégradation des COHs est cependant fréquemment limitée par leur pauvre disponibilité envers les organismes qui les dégradent. Ainsi, bien que la biodégradation opère partiellement, les COHs persistent dans l'environnement à de faibles concentrations qui potentiellement peuvent encore causer des effets toxiques chroniques. Puisque la plupart des COHs peuvent être métabolisés par l'activité microbienne, leur persistance a généralement pour origine des contraintes physico-chimiques plutôt que biologiques. Par exemple, leur solubilité dans l'eau très limitée réduit leur prise par des consommateurs potentiels. De plus, l'adsorption à la matière organique et la séquestration dans les micropores du sol participent à réduire leur disponibilité envers les microbes. Les processus de biodisponibilité, c'est-à-dire les processus qui gouvernent la dissolution et la prise de polluants par les organismes vivants, sont généralement perçus comme des paramètres clés pour la dépollution (bioremédiation) naturelle et stimulée des sites contaminés. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont un modèle de COH produits par les activités aussi bien humaines que naturelles, et listés comme des contaminants chroniques de l'air, des sols et des sédiments. Ils peuvent être dégradés par un vaste nombre d'espèces bactériennes mais leur taux de biodégradation est souvent limité par les contraintes mentionnées ci-dessus. Afin de comprendre les processus de biodisponibilité pour les cellules bactériennes, nous avons décidé d'utiliser les bactéries elles-mêmes pour détecter et rapporter les flux de COH. Ceci a été réalisé par l'application d'une stratégie de conception visant à produire des bactéries `biocapteurs-rapporteurs', qui littéralement s'allument lorsqu'elles détectent un composé cible pour lequel elles ont été conçues. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur Burkholderia sartisoli (souche RP007), une bactérie isolée du sol et consommatrice de HAP .Cette souche a servi de base à la construction d'un circuit génétique permettant la formation de la protéine autofluorescente GFP dès que les cellules détectent le naphtalène ou le phénanthrène, deux HAP de faible masse moléculaire. En effet, nous avons pu montrer que la bactérie obtenue, la souche RP037 de B. sartisoli, produit une fluorescence GFP grandissante lors d'une exposition en culture liquide à du phénanthrène sous forme cristalline (0.5 mg par ml de milieu de culture). Nous avons découvert que pour une induction optimale il était nécessaire de fournir aux cellules une source additionnelle de carbone sous la forme d'acétate, ou sinon seul un nombre limité de cellules deviennent induites. Malgré cela, le phénanthrène a induit une réponse très hétérogène au sein de la population de cellules, avec quelques cellules pauvrement induites tandis que d'autres l'étaient très fortement. La raison de cette hétérogénéité extrême, même dans des cultures liquides mélangées, reste pour le moment incertaine. Plus important, nous avons pu montrer que l'amplitude de l'induction de GFP dépendait de paramètres physiques affectant le flux de phénanthrène aux cellules, tels que : la surface de contact entre le phénanthrène solide et la phase aqueuse ; l'ajout de surfactant ; le scellement de phénanthrène à l'intérieur de billes de polymères (Model Polymer Release System) ; la dissolution du phénanthrène dans un fluide gras immiscible à l'eau. Nous en avons conclu que la souche RP037 détecte convenablement des flux de phénantrène et nous avons proposé une relation entre le transfert de masse de phénanthrène et la production de GFP. Nous avons par la suite utilisé la souche afin d'examiner l'effet de plusieurs paramètres chimiques connus dans la littérature pour influencer la biodisponibilité des HAP. Premièrement, les acides humiques. Quelques rapports font état que la disponibilité des HAP pourrait être augmentée par la présence de matière organique dissoute. Nous avons mesuré l'induction de GFP comme fonction de l'exposition des cellules RP037 au phénanthrène ou au naphtalène en présence ou absence d'acides humiques dans la culture. Nous avons testé des concentrations d'acides humiques de 0.1 et 10 mg/L, tandis que le phénanthrène était ajouté via l'heptamethylnonane (HMN), un liquide non aqueux, ce qui au préalable avait produit le plus haut flux constant de phénanthrène aux cellules. De plus, nous avons utilisé des tests en phase gazeuse avec des concentrations d'acides humiques de 0.1, 10 et 1000 mg/L mais avec du naphtalène. Contrairement à ce que décrit la littérature, nos résultats ont indiqué que dans ces conditions l'expression de GFP en fonction de l'exposition au phénanthrène dans des cultures en croissance de la souche RP037 n'était pas modifiée par la présence d'acides humiques. D'un autre côté, le test en phase gazeuse avec du naphtalène a montré que 1000 mg/L d'acides humiques abaissent légèrement mais significativement la production de GFP dans les cellules de RP037. Nous avons conclu qu'il n'y a pas d'effet général des acides humiques sur la disponibilité des HAP pour les bactéries. Par la suite, nous nous sommes demandé si des biosurfactants modifieraient la disponibilité du phénanthrène pour les bactéries. Les surfactants sont souvent décrits dans la littérature comme des moyens d'accroître la biodisponibilité des COHs. Les surfactants sont des agents tensio-actifs qui augmentent la solubilité apparente de COH en les dissolvant à l'intérieur de micelles. Nous avons ainsi testé si des biosurfactants (des surfactants produits par des organismes vivants) peuvent être utilisé pour augmenter la biodisponibilité du phénanthrène pour la souche B. sartisoli RP037. Premièrement, nous avons tenté d'obtenir des biosurfactants produits par une autre bactérie vivant en co-culture avec les biocapteurs bactériens. Deuxièmement, nous avons utilisé des biosurfactants purifiés. La co-cultivation en présence de la bactérie productrice de lipopeptide Pseudomonas putida souche PCL1445 a augmenté l'expression de GFP induite par le phénanthrène chez B. sartisoli en comparaison des cultures simples, mais cet effet n'était pas significativement différent lorsque la souche RP037 était co-cultivée avec un mutant de P. putida ne produisant pas de lipopeptides. L'ajout de lipopeptides partiellement purifiés dans la culture de RP037 a résulté en une réduction de la tension de surface, mais n'a pas provoqué de changement dans l'expression de GFP. D'un autre côté, l'ajout d'une solution commerciale de rhamnolipides (un autre type de biosurfactants produits par Pseudomonas spp.) a facilité la dégradation du phénanthrène par la souche RP037 et induit une expression de GFP élevée dans une plus grande proportion de cellules. Nous avons ainsi conclu que les effets des biosurfactants sont mesurables à l'aide de la souche biocapteur, mais que ceux-ci sont dépendants du type de surfactant utilisé conjointement avec le phénanthrène. La question suivante que nous avons abordée était si les tests utilisant des biocapteurs peuvent être améliorés de manière à ce que les flux de HAP provenant de matériel contaminé soient détectés. Les tests en milieu liquide avec des échantillons de sol ne fournissant pas de mesures, et sachant que les concentrations de HAP dans l'eau sont en général extrêmement basses, nous avons conçu des tests de diffusion dans lesquels nous pouvons étudier l'induction par les HAPs en fonction de la distance aux cellules. Le biocapteur bactérien B. sartisoli souche RP037 a été marqué avec une seconde protéine fluorescente (mCherry), qui est constitutivement exprimée dans les cellules et leur confère une fluorescence rouge/rose. La souche résultante RP037-mChe témoigne d'une fluorescence rouge constitutive mais n'induit la fluorescence verte qu'en présence de naphtalène ou de phénanthrène. La présence d'un marqueur fluorescent constitutif nous permet de visualiser les biocapteurs bactériens plus facilement parmi des particules de sol. Un test de diffusion a été conçu en préparant un gel fait d'une suspension de cellules mélangées à 0.5 % d'agarose. Des bandes de gel de dimensions 0.5 x 2 cm x 1 mm ont été montées dans des chambres d'incubation et exposées à des sources de HAP (soit dissouts dans du HMN ou en tant que matériel solide, puis appliqués à une extrémité de la bande). En utilisant ce montage expérimental, le naphtalène ou le phénanthrène (dissouts dans du HMN à une concentration de 2.5 µg/µl) ont induit un gradient d'intensité de fluorescence GFP après 24 heures d'incubation, tandis que la fluorescence mCherry demeurait comparable. Un sol contaminé par des HAPs (provenant d'un ancien site de production de gaz) a induit la production de GFP à un niveau comparable à celui du naphtalène. Des biocapteurs bactériens individuels ont également détecté un flux de phénanthrène dans un gel contenant des particules de sol amendées avec 1 et 10 mg/g de phénanthrène. Ceci a montré que le test de diffusion peut être utilisé pour mesurer des flux de HAP provenant de matériel contaminé. D'un autre côté, la sensibilité est encore très basse pour plusieurs sols contaminés, et l'autofluorescence de certains échantillons rend difficile l'identification de la réponse de la GFP chez les cellules. Pour terminer, un des points majeurs de ce travail a été la production et la validation d'une plateforme multi-puits de biocapteurs bactériens, qui a permis l'emploi simultané de plusieurs souches différentes de biocapteurs pour la détection des constituants principaux du pétrole. Pour cela nous avons choisi les alcanes linéaires, les composés mono-aromatiques, les biphényls et les composés poly-aromatiques. De plus, nous avons utilisé un capteur pour la génotoxicité afin de détecter la `toxicité globale' dans des échantillons aqueux. Plusieurs efforts d'ingénierie ont été investis de manière à compléter ce set. En premier lieu, chaque souche a été équipée avec soit gfp, soit luxAB en tant que signal rapporteur. Deuxièmement, puisqu'aucune souche de biocapteur n'était disponible pour les HAP ou pour les alcanes à longues chaînes, nous avons spécifiquement construit deux nouveaux biocapteurs. L'un d'eux est également basé sur B. sartisoli RP007, que nous avons équipé avec le plasmide pPROBE-phn-luxAB pour la détection du naphtalène et du phénanthrène mais avec production de luciférase bactérienne. Un autre est un nouveau biocapteur bactérien pour les alcanes. Bien que nous possédions une souche Escherichia coli DHS α (pGEc74, pJAMA7) détectant les alcanes courts de manière satisfaisante, la présence des alcanes à longues chaînes n'était pas rapportée efficacement. Nous avons cloné le gène de l'activateur transcriptionnel A1kS ainsi que la région opérateur/promoteur de l'opéron alkSB1GHJ chez la bactérie dégradant les alcanes Alcanivorax borkumensis souche SK2, afin de construire un nouveau biocapteur bactérien bénéficiant d'une sensibilité accrue envers les alcanes à longues chaînes. Cependant, la souche résultante E. coli DHSα (pAlk3} n'a pas montré d'émission de lumière augmentée en présence de tétradécane (C14), tandis qu'elle rapportait toujours efficacement de basses concentrations d'octane (C8). De manière surprenante, l'utilisation de A. borkumensis en tant que souche hôte pour le nouveau plasmide rapporteur basé sur la GFP a totalement supprimé la sensibilité pour l'octane, tandis que la détection de tétradécane n'était pas accrue. Cet aspect devra être résolu dans de futurs travaux. Pour calibrer la plateforme de biocapteurs, nous avons simulé une fuite de pétrole en mer dans une bouteille en verre ouverte de 5L contenant 2L d'eau de mer contaminée avec 20 ml (1%) de pétrole brut. La phase aqueuse a été échantillonée à intervalles réguliers après la fuite durant une période allant jusqu'à une semaine tandis que les principaux contaminants pétroliers étaient mesurés via les biocapteurs. L'émission de bioluminescence a été mesurée de manière à déterminer la réponse des biocapteurs et une calibration intégrée faite avec des inducteurs types a servi à calculer des concentrations d'équivalents inducteurs dans l'échantillon. E. coli a été utilisée en tant que souche hôte pour la plupart des spécificités des biocapteurs, à l'exception de la détection du naphtalène et du phénanthrène pour lesquels nous avons utilisé B. sartisoli. Cette souche, cependant, peut être employée plus ou moins selon la même procédure. Il est intéressant de noter que le pétrole répandu a produit une apparition séquentielle de composés dissouts dans la phase aqueuse, ceux-ci .étant détectables par les biocapteurs. Ce profil contenait d'abord les alcanes à courtes chaînes et les BTEX (c'est-à dire benzène, toluène, éthylbenzène et xylènes), apparaissant entre des minutes et des heures après que le pétrole a été versé. Leurs concentrations aqueuses ont par la suite fortement décru dans l'eau échantillonnée après 24 heures, à cause de la volatilisation ou de la biodégradation. Après quelques jours d'incubation, ces composés sont devenus indétectables. Les HAPs, en revanche, sont apparus plus tard que les alcanes et les BTEX, et leur concentration a augmenté de pair avec un temps d'incubation prolongé. Aucun signal significatif n'a été mis en évidence avec le biocapteur pour le biphényl ou pour la génotoxicité. Ceci démontre l'utilité de ces biocapteurs, spécifiquement pour la détection des composés pétroliers, comprenant les alcanes à courtes chaînes, les BTEX et les HAPs légers.