Importance de l'hélice a[alpha]4 et des boucles inter-hélicales du domaine I dans le mécanisme de formation de pores par la toxine Cry1Aa du bacille de Thuringe

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les relations scientifiques entre la France et le Japon à travers l'avènement de la bactériologie par la tuberculose et le BCG (1898-1955)

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Les systèmes Xer à une seule recombinase

Les dimères chromosomiques se produisant lors de la réparation de chromosomes circulaires peuvent être dommageables pour les bactéries en bloquant la ségrégation des chromosomes et le bon déroulement de la division cellulaire. Pour remédier à ce problème, les bactéries utilisent le système Xer de monomérisation des chromosomes. Celui-ci est composé de deux tyrosine recombinases, XerC et XerD, qui vont agir au niveau du site dif et procéder à une recombinaison qui aura pour effet de séparer les deux copies de l’ADN. Le site dif est une séquence d’ADN où deux répétitions inversées imparfaites séparées par six paires de bases permettent la liaison de chacune des recombinases. Cette recombinaison est régulée à l’aide de FtsK, une protéine essentielle de l’appareil de division. Ce système a été étudié en profondeur chez Escherichia coli et a aussi été caractérisée dans une multitude d’espèces variées, par exemple Bacillus subtilis. Mais dans certaines espèces du groupe des Streptococcus, des études ont été en mesure d’identifier une seule recombinase, XerS, agissant au niveau d’un site atypique nommée difSL. Peu de temps après, un second système utilisant une seule recombinase a été identifié chez un groupe des epsilon-protéobactéries. La recombinase fut nommée XerH et le site de recombinaison, plus similaire à difSL qu’au site dif classique, difH. Dans cette thèse, des résultats d’expériences in vitro sur les deux systèmes sont présentés, ainsi que certains résultats in vivo. Il est démontré que XerS est en mesure de se lier de façon coopérative à difSL et que cette liaison est asymétrique, puisque XerS est capable de se lier à la moitié gauche du site prise individuellement mais non à la moitié droite. Le clivage par XerS est aussi asymétrique, étant plus efficace au niveau du brin inférieur. Pour ce qui est de XerH, la liaison à difH est beaucoup moins coopérative et n’a pas la même asymétrie. Par contre, le clivage est asymétrique lui aussi. La comparaison de ces deux systèmes montrent qu’ils ne sont pas homologues et que les systèmes Xer à seule recombinase existent sous plusieurs versions. Ces résultats représentent la première découverte d’un espaceur de 11 paires de bases chez les tyrosine recombinases ainsi que la première étude in vitro sur XerH.

Propriétés électrophysiologiques des canaux ioniques formés par la toxine nématicide Cry5Ba du bacille de Thuringe dans les bicouches lipidiques planes

Les toxines Cry sont des protéines synthétisées sous forme de cristaux par la bactérie bacille de Thuringe pendant la sporulation. Elles sont largement utilisées comme agents de lutte biologique, car elles sont toxiques envers plusieurs espèces d’invertébrées, y compris les nématodes. Les toxines Cry5B sont actives contre certaines espèces de nématodes parasites, y compris Ankylostoma ceylanicum un parasite qui infeste le système gastro-intestinal des humains. Jusqu’au présent, le mode d’action des toxines Cry nématicides reste grandement inconnu, sauf que leurs récepteurs spécifiques sont des glycolipides et qu’elles causent des dommages importants aux cellules intestinales. Dans cette étude, on démontre pour la première fois que la toxine nématicide Cry5Ba, membre de la famille des toxines à trois domaines et produite par la bactérie bacille de Thuringe, forme des pores dans les bicouches lipidiques planes en absence de récepteurs. Les pores formés par cette toxine sont de sélectivité cationique, à pH acide ou alcalin. Les conductances des pores formés sous conditions symétriques de 150 mM de KCl varient entre 17 et 330 pS, à pH 6.0 et 9.0. Les niveaux des conductances les plus fréquemment observés diffèrent les uns des autres par environ 17 à 18 pS, ce qui est compatible avec l’existence d’arrangement d’un nombre différent de pores élémentaires similaires, activés de façon synchronisée, ou avec la présence d’oligomères de tailles variables et de différents diamètres de pores.

Étude de l’évolution des génomes par duplications, pertes et réarrangements

La duplication est un des évènements évolutifs les plus importants, car elle peut mener à la création de nouvelles fonctions géniques. Durant leur évolution, les génomes sont aussi affectés par des inversions, des translocations (incluant des fusions et fissions de chromosomes), des transpositions et des délétions. L'étude de l'évolution des génomes est importante, notamment pour mieux comprendre les mécanismes biologiques impliqués, les types d'évènements qui sont les plus fréquents et quels étaient les contenus en gènes des espèces ancestrales. Afin d'analyser ces différents aspects de l'évolution des génomes, des algorithmes efficaces doivent être créés pour inférer des génomes ancestraux, des histoires évolutives, des relations d'homologies et pour calculer les distances entre les génomes. Dans cette thèse, quatre projets reliés à l'étude et à l'analyse de l'évolution des génomes sont présentés : 1) Nous proposons deux algorithmes pour résoudre des problèmes reliés à la duplication de génome entier : un qui généralise le problème du genome halving aux pertes de gènes et un qui permet de calculer la double distance avec pertes. 2) Nous présentons une nouvelle méthode pour l'inférence d'histoires évolutives de groupes de gènes orthologues répétés en tandem. 3) Nous proposons une nouvelle approche basée sur la théorie des graphes pour inférer des gènes in-paralogues qui considère simultanément l'information provenant de différentes espèces afin de faire de meilleures prédictions. 4) Nous présentons une étude de l'histoire évolutive des gènes d'ARN de transfert chez 50 souches de Bacillus.

Mode d’action moléculaire de la toxine anti-tumorale : PS1Aa2 du bacille de Thuringe

Les parasporines sont des toxines Cry du bacille de Thuringe actives contre des cellules tumorales. Ce travail montre que la parasporine PS1Aa2 (Cry31Aa2) forme des pores dans des membranes artificielles, comme de nombreuses toxines Cry. Ceux-ci ont plusieurs niveaux de conductance dont les plus fréquents étaient de 11, 16 et 21 pS dans une solution de 150 mM KCl. Nos résultats de microspectrofluorométrie avec la sonde Fura-2 montrent que la présence de la PS1Aa2 peut produire des augmentations du calcium intracellulaire, la plupart du temps sous la forme d’oscillations calciques et parfois des augmentations soutenues. Ces réponses ont été observées en présence et en absence de calcium extracellulaire, dans les lignées tumorales HeLa et HepG2 et dans la lignée non tumorale HEK 293. Bien que quelques études aient montré que le calcium semble intervenir dans leur mode d’action, de telles oscillations calciques n’ont jamais été décrites auparavant pour des toxines Cry. Les expériences ont dû être faites à des concentrations beaucoup plus élevées de toxine que prévues sur la base des résultats publiés de cytotoxicité. Malgré la présence des fragments identifiés auparavant comme actifs, sa faible efficacité semble liée à la présence d’ADN dans les préparations qui entraîne la précipitation de la protéine. Les travaux futurs sur cette toxine seraient donc grandement facilités par une amélioration de sa méthode de préparation.

Laser Induced Fluorescence Based Optical Fiber Probe for Analyzing Bacteria

Optical fiber based laser induced fluorescence (LIF) measurements were carried out using Rhodamine B to analyze two different species of bacteria , a Gram-positive bacteria namely Bacillus smithii , and fibrin alginolvticus, a Gram- negative bacteria . The fiber sensor was clearly able to distinguish between the two species of bacteria . Quenching effect of the dye Rhodamine B by Bacillus smithii was observed . The effect of dye on the samples was also studied in detail.

Heterotrophic Bacteria Associated with Healthy and Moribund Larvae of Penaeus monodon H.Milne Edwards

Heterotrophic bacterial flora of Pmonadon from an apparently healthy hatchery system as well as a pool with heavy mortality were isolated and studied. In the healthy systems comparatively higher generic diversity with Pseudomonas, Acinetobacter, Bacillus, Micrococcus, members of the family Enterobacteriaceae and coryneform group in the diminishing order of dominance was recorded. Meanwhile from the moribund larvae and rearing water Aeromonas and Pseudomonas could be isolated in almost equal proportions. Strikingly, Aeromonas could not be isolated from the apparently healthy larval rearing system and its exclusive occurrence in the sick culture system in comparatively higher percentage suggested its possible role in the mortality. They were found to be highly halophilic exhibiting growth at 10% NaCl. On testing their sensitivity to twenty antibiotics, four of them (Streptomycin, Gentamycin, Methamine mandelate and Cloramphenicol) were found to be effective on all the isolates of Aeromonas and Pseudomonas suggesting their possible application in the hatchery system in times of emergency. While doing so, Streptomycin would do comparatively better than the others as the minimum inhibitory dose required was comparatively lower (200ppm) within a period of 24 hours

Laser induced fluorescence based optical fiber probe for analyzing bacteria

Optical fiber based laser induced fluorescence (LIF) measurements were carried out using Rhodamine B to analyze two different species of bacteria , a Gram-positive bacteria namely Bacillus .cmithii , and fibrin alginolvticus, a Gram-' negative bacteria . The fiber sensor was clearly able to distinguish between the two species of bacteria . Quenching effect of the dye Rhodamine B by Bacillus smitltii was observed . The effect of dye on the samples was also studied in detail.

Tuning mesoporous molecular sieve SBA-15 for the immobilization of α-amylase

The present work describes the immobilization of α-amylase over well ordered mesoporous molecular sieve SBA-15 with different pore diameters synthesized by post synthesis treatment (PST) hydrothermally after reaction at 40°C. The materials were characterized by N 2 adsorption–desorption studies, small angle X-ray diffraction, scanning electron microscopy and high resolution transmission electron microscopy. Since α-amylase obtained from Bacillus subtilis has dimensions of 35 × 40 × 70 Å it is expected that the protein have access to the pore of SBA-15 (PST-120°C) with diameter 74 Å. The pore dimension is appropriate to prevent considerable leaching. The rate of adsorption of the enzyme on silica of various pore sizes revealed the influence of morphology, pore diameter, pore volume and pH.

Application of Fermentation Techniques in the Utilization of Prawn Shell Waste

The present study aimed at the utlisation of microbial organisms for the production of good quality chitin and chitosan. The three strains used for the study were Lactobacillus plantarum, Lactobacililus brevis and Bacillus subtilis. These strains were selected on the basis of their acid producing ability to reduce the pH of the fermenting substrates to prevent spoilage and thus caused demineralisation of the shell. Besides, the proteolytic enzymes in these strains acted on proteinaceous covering of shrimp and thus caused deprotenisation of shrimp shell waste. Thus the two processes involved in chitin production can be affected to certain extent using bacterial fermentation of shrimp shell.Optimization parameters like fermentation period, quantity of inoculum, type of sugar, concentration of sugar etc. for fermentation with three different strains were studied. For these, parameters like pH, Total titrable acidity (TTA), changes in sugar concentration, changes in microbial count, sensory changes etc. were studied.Fermentation study with Lactobacillus plantarum was continued with 20% w/v jaggery broth for 15 days. The inoculum prepared yislded a cell concentration of approximately 108 CFU/ml. In the present study, lactic acid and dilute hydrochloric acid were used for initial pH adjustment because; without adjusting the initial pH, it took more than 5 hours for the lactic acid bacteria to convert glucose to lactic acid and during this delay spoilage occurred due to putrefying enzymes active at neutral or higher pH. During the fermentation study, pH first decreased in correspondence with increase in TTA values. This showed a clear indication of acid production by the strain. This trend continued till their proteolytic activity showed an increasing trend. When the available sugar source started depleting, proteolytic activity also decreased and pH increased. This was clearly reflected in the sensory evaluation results. Lactic acid treated samples showed greater extent of demineralization and deprotenisation at the end of fermentation study than hydrochloric acid treated samples. It can be due to the effect of strong hydrochloric acid on the initial microbial count, which directly affects the fermentation process. At the end of fermentation, about 76.5% of ash was removed in lactic acid treated samples and 71.8% in hydrochloric acid treated samples; 72.8% of proteins in lactic acid treated samples and 70.6% in hydrochloric acid treated samples.The residual protein and ash in the fermented residue were reduced to permissible limit by treatment with 0.8N HCI and 1M NaOH. Characteristics of chitin like chitin content, ash content, protein content, % of N- acetylation etc. were studied. Quality characteristics like viscosity, degree of deacetylation and molecular weight of chitosan prepared were also compared. The chitosan samples prepared from lactic acid treated showed high viscosity than HCI treated samples. But degree of deacetylation is more in HCI treated samples than lactic acid treated ones. Characteristics of protein liquor obtained like its biogenic composition, amino acid composition, total volatile base nitrogen, alpha amino nitrogen etc. also were studied to find out its suitability as animal feed supplement.Optimization of fermentation parameters for Lactobacillus brevis fermentation study was also conducted and parameters were standardized. Then detailed fermentation study was done in 20%wlv jaggery broth for 17 days. Also the effect of two different acid treatments (mild HCI and lactic acid) used for initial pH adjustment on chitin production were also studied. In this study also trend of changes in pH. changes in sugar concentration ,microbial count changes were similar to Lactobacillus plantarum studies. At the end of fermentation, residual protein in the samples were only 32.48% in HCI treated samples and 31.85% in lactic acid treated samples. The residual ash content was about 33.68% in HCI treated ones and 32.52% in lactic acid treated ones. The fermented residue was converted to chitin with good characteristics by treatment with 1.2MNaOH and 1NHCI.Characteristics of chitin samples prepared were studied and extent of Nacetylation was about 84% in HCI treated chitin and 85%in lactic acid treated ones assessed from FTIR spectrum. Chitosan was prepared from these samples by usual chemical method and its extent of solubility, degree of deacetylation, viscosity and molecular weight etc were studied. The values of viscosity and molecular weight of the samples prepared were comparatively less than the chitosan prepared by Lactobacillus plantarum fermentation. Characteristics of protein liquor obtained were analyzed to determine its quality and is suitability as animal feed supplement.Another strain used for the study was Bacillus subtilis and fermentation was carried out in 20%w/v jaggery broth for 15 days. It was found that Bacillus subtilis was more efficient than other Lactobacillus species for deprotenisation and demineralization. This was mainly due to the difference in the proteolytic nature of the strains. About 84% of protein and 72% of ash were removed at the end of fermentation. Considering the statistical significance (P

Molecular Characterization and Gene Expression Profiling of Antimicrobial Peptides in Penaeid Shrimps

The constitutive production of AMPs in shrimps ensures that animals are able to protect themselves from low-level assaults by pathogens present in the environment. As these molecules play important roles in the shrimp immune defense system, the expression level of these AMPs are possible indicators of the immune state of shrimps. The present study also indicates the antiviral property of AMPs, especially ALF, stressing the importance of their up-regulation through the application of immunostimulants/probiotics as a prophylactic strategy in aquaculture. The present study shows that shrimp defense system is equipped enough to evade WSSV infection to a certain extent, when the animals were maintained on marine yeast and probiotic diet, whereas the control diet fed group succumbed to WSSV infection. This study reveals that marine yeast and probiotic supplemented diet can delay the process of WSSV infection and confer greater protection to the animals. Particularly, the protection conferred by marine yeast, C. haemulonii S27 and Bacillus MCCB101 were highly promising imparting greater hope to the aquaculture community to overcome the prevailing disease problems in aquaculture. It may be inferred from the present study that up-regulation of AMP genes could be effected by the application of immunostimulants and probiotics. Also, AMP expression profile could be used as an effective tool for screening immunostimulants and probiotics for application in shrimp culture. Ultimately, it is likely that no single compound or strategy will provide a solution to the problem of disease within aquaculture and that, in reality, a suite of techniques will be required including the manipulation of the rearing environment, addition of probionts as a matter of routine during culture, and the use of immunostimulants and other supplements during vulnerable growth phases. Finally, the development of good management practices, the control of environmental variables, genetic improvement in the penaeid species, understanding of host-virus interaction, modulation of the shrimp immune system, supported by functional genomics and proteomics of this crustacean, as a whole suggests that the control of WSSV is not far.

Studies on Production of Bacterial Xylanases

Xylanases with hydrolytic activity on xylan, one of the hemicellulosic materials present in plant cell walls, have been identified long back and the applicability of this enzyme is constantly growing. All these applications especially the pulp and paper industries require novel enzymes. There has been lot of documentation on microbial xylanases, however, none meeting all the required characteristics. The characters being sought are: higher production, higher pH and temperature optima, good stabilities under these conditions and finally the low associated cellulase and protease production. The present study analyses various facets of xylanase biotechnology giving emphasis on bacterial xylanases. Fungal xylanases are having problems like low pH values for both enzyme activity and growth. Moreover, the associated production of cellulases at significant levels make fungal xylanases less suitable for application in paper and pulp industries.Bacillus SSP-34 selected from 200 isolates was clearly having xylan catabolizing nature distinct from earlier reports. The stabilities at higher temperatures and pH values along with the optimum conditions for pH and temperature is rendering Bacillus SSP-34 xylanase more suitable than many of the previous reports for application in pulp and paper industries.Bacillus SSP-34 is an alkalophilic thertmotolerant bacteria which under optimal cultural conditions as mentioned earlier, can produce 2.5 times more xylanase than the basal medium.The 0.5% xylan concentration in the medium was found to the best carbon source resulting in 366 IU/ml of xylanase activity. This induction was subjected to catabolite repression by glucose. Xylose was a good inducer for xylanase production. The combination of yeast extract and peptone selected from several nitrogen sources resulted in the highest enzyme production (379+-0.2 IU/ml) at the optimum final concentration of 0.5%. All the cultural and nutritional parameters were compiled and comparative study showed that the modified medium resulted in xylanase activity of 506 IU/ml, 5 folds higher than the basal medium.The novel combination of purification techniques like ultrafiltraton, ammonium sulphate fractionation, DEAE Sepharose anion exchange chromatography, CM Sephadex cation exchange chromatography and Gel permeation chromatography resulted in the purified xylanase having a specific activity of 1723 U/mg protein with 33.3% yield. The enzyme was having a molecular weight of 20-22 kDa. The Km of the purified xylanase was 6.5 mg of oat spelts xylan per ml and Vmax 1233 µ mol/min/mg protein.Bacillus SSP-34 xylanase resulted in the ISO brightness increase from 41.1% to 48.5%. The hydrolytic nature of the xylanase was in the endo-form.Thus the organism Bacillus SSP-34 was having interesting biotechnological and physiological aspects. The SSP-34 xylanase having desired characters seems to be suited for application in paper and pulp industries.

Proteases from an Environmental Isolate of Pseudomonas Aeruginosa MCCB 123 and Their Applications

In the present study,heterotrophic protease producing bacterial isolates were screened for protease activity and a potent protease producing bacterial isolate was selected,identified and coded as Pseudomonas aeruginosa MCCB 123.The organism was capable of producing three different types of enzymes each having potential industrial applications.The non-toxic nature of the bacterial strain and the relatively non-toxic nature of three enzymes suggested their poetential application in various industries.Application of LasA protease and beta-1,3 glucanase in DNA extraction is a promising area for commercial utilization. LasB protease can find its potential application in detergent and tanning industries.As on today Bacillus sp.has been the source of commercial proteases,and the ones produced form P.aeruginosa 123 can pave way for making the industrial and biomedical processes more cost effective and refined.