Multiplex ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry method for simultaneous quantification in human plasma of fluconazole, itraconazole, hydroxyitraconazole, posaconazole, voriconazole, voriconazole-N-oxide, anidulafungin, and caspofungin.

Therapeutic drug monitoring (TDM) may contribute to optimizing the efficacy and safety of antifungal therapy because of the large variability in drug pharmacokinetics. Rapid, sensitive, and selective laboratory methods are needed for efficient TDM. Quantification of several antifungals in a single analytical run may best fulfill these requirements. We therefore developed a multiplex ultra-performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry (UPLC-MS/MS) method requiring 100 μl of plasma for simultaneous quantification within 7 min of fluconazole, itraconazole, hydroxyitraconazole, posaconazole, voriconazole, voriconazole-N-oxide, caspofungin, and anidulafungin. Protein precipitation with acetonitrile was used in a single extraction procedure for eight analytes. After reverse-phase chromatographic separation, antifungals were quantified by electrospray ionization-triple-quadrupole mass spectrometry by selected reaction monitoring detection using the positive mode. Deuterated isotopic compounds of azole antifungals were used as internal standards. The method was validated based on FDA recommendations, including assessment of extraction yields, matrix effect variability (<9.2%), and analytical recovery (80.1 to 107%). The method is sensitive (lower limits of azole quantification, 0.01 to 0.1 μg/ml; those of echinocandin quantification, 0.06 to 0.1 μg/ml), accurate (intra- and interassay biases of -9.9 to +5% and -4.0 to +8.8%, respectively), and precise (intra- and interassay coefficients of variation of 1.2 to 11.1% and 1.2 to 8.9%, respectively) over clinical concentration ranges (upper limits of quantification, 5 to 50 μg/ml). Thus, we developed a simple, rapid, and robust multiplex UPLC-MS/MS assay for simultaneous quantification of plasma concentrations of six antifungals and two metabolites. This offers, by optimized and cost-effective lab resource utilization, an efficient tool for daily routine TDM aimed at maximizing the real-time efficacy and safety of different recommended single-drug antifungal regimens and combination salvage therapies, as well as a tool for clinical research.

Clinical and pharmacogenetic study on smoking and smoking cessation

Currently, smoking cessation represents one of the main strategies to reduce the incidence of tobacco-related diseases in the population. Smoking can also influence pharmacotherapy through several pharmacokinetic or pharmacodynamic interactions. Some of the most concerned drugs are those metabolized by the cytochrome P450 (CYP) 1A2 enzyme (e.g. caffeine, theophylline, clozapine, olanzapine, duloxetine), whose activity is induced by the polycyclic aromatic hydrocarbons found in tobacco smoke. This can result in a clinically significant decrease in the pharmacological effect of the drugs and the need of higher doses in smokers. Conversely, upon smoking cessation, toxic plasma levels of the drugs can be reached. The main objective of this thesis was to study the interindividual variability in CYP1A2 induction in a large cohort of smokers, by measuring CYP1A2 activity before smoking cessation and one month later in continuously abstinent subjects. For this purpose, a clinical study was conducted, including 194 smokers from the general population who wished to participate in a smoking cessation program and therefore received medical counseling and substitution therapy (nicotine or varenicline). An analytical method for the simultaneous quantification of nicotine, its metabolites and varenicline in plasma was developed and validated using ultra performance liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. This method was used to confirm abstinence at different time points during the follow-up. Moreover, it was used to determine plasma levels of the smoking cessation drugs, to be used in the study of their pharmacogenetics, which was the secondary objective of this thesis. High interindividual variability in CYP1A2 induction by smoking was observed, ranging from no change to approximately 7 times decreased CYP1A2 activity after smoking cessation. Several clinical and genetic factors were investigated in an attempt to explain this variability. Firstly, a significant influence of CYP1A2*1F and *1D alleles, of contraceptive use and of the number of cigarettes smoked per day on CYP1A2 induced activity was observed, and of CYP1A2*1F and the use of contraceptives on the basal activity. But no influence of these factors was found on CYP1A2 inducibility. Given that known genetic polymorphisms in CYP1A2 gene were shown to explain only poorly the observed variations in activity, additional genetic factors were studied. SNPs in the CYP oxidoreductase (POR) gene were found to influence CYP1A2 basal activity, but not the induction. Finally, a pathway-based approach allowed to identify SNPs in genes coding for nuclear receptors (CAR, RXRa, VDR, PXR) and induction-mediating receptors (AhR), which significantly influenced CYP1A2 inducibility and basal activity (SNPs in the gene coding for CAR and RXRa). As secondary objective of the study, the pharmacogenetics of nicotine and varenicline is being investigated. Therefore, the nicotine metabolite ratio is used in the attempt to better explain nicotine dependence and the failure/success of quitting smoking. A population pharmacokinetic model is being developed for varenicline, integrating clinical and genetic factors (genes coding for its metabolizing enzymes and transporters), with the purpose of trying to predict efficacy and side effects. These findings suggest that the influence of smoking on pharmacotherapy could be better managed by including clinical and possibly in the future genetic factors, in the assessment of the adaptations needed when a person starts or stops smoking.  - L'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci. Le tabagisme peut influencer la thérapie médicamenteuse par des interactions pharmacocinétiques ou pharmacodynamiques. Parmi les médicaments concernés, il y a ceux métabolisés par le cytochrome P450 (CYP) 1A2 (caféine, théophylline, clozapine, olanzapine, duloxétine, etc), dont l'activité enzymatique est induite par les hydrocarbures aromatiques polycycliques présents dans la fumée de cigarette. Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet pharmacologique du traitement et la nécessité d'augmenter les doses d'entretien chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, les taux plasmatiques des médicaments peuvent devenir toxiques. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier la variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 dans une large cohorte de fumeurs, par la mesure de l'activité du CYP1A2 avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement pharmacologique (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique pour la quantification simultanée de la nicotine, ses métabolites et la varénicline dans le plasma par chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem à été développée et validée. Cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude et déterminer les taux plasmatiques des médicaments, dans le but d'étudier leur pharmacogénétique. Une grande variabilité interindividuelle dans l'induction du CYP1A2 par la fumée a été observée, parfois sans changement et pouvant aller jusqu'à une diminution d'environ 7 fois l'activité du CYP1A2 après l'arrêt de la cigarette. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Tout d'abord, on a observé une influence significative: des allèles CYP1A2*1F et *1D, des contraceptifs et du nombre de cigarettes fumées par jour sur l'activité induite du CYP1A2, ainsi que l'influence de l'allèle *1F et des contraceptifs sur l'activité basale. Cependant, aucune influence de ces facteurs n'a été démontrée sur l'inductibilité du CYP1A2. Étant donné que les polymorphismes génétiques du CYP1A2 apportent peu de renseignements sur la variabilité de son activité, des facteurs génétiques supplémentaires ont été étudiés. Des polymorphismes dans le gène POR (CYP oxidoreductase) ont été associés à l'activité basale du CYP1A2, mais pas à l'induction. Finalement, une approche basée sur la voie de signalisation du CYP1A2 a permis d'identifier des polymorphismes dans des gènes codant pour des récepteurs nucléaires (CAR, RXRa, VDR, PXR) et d'autres liés à l'induction (AhR) qui influencent significativement l'inductibilité et l'activité basale (les SNPs du CAR et RXRa). L'objectif secondaire de cette étude était d'investiguer la pharmacogénétique de la nicotine et de la varénicline. Le ratio métabolique de la nicotine est utilisé pour mieux expliquer la dépendance à la nicotine et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Un modèle pharmacocinétique de population est en cours de développement pour la varénicline, intégrant des facteurs cliniques et génétiques (gènes codant pour ses enzymes de métabolisme et transporteurs), pour tenter de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la pharmacothérapie serait mieux gérée par l'inclusion des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, génétiques, dans l'évaluation des adaptations nécessaires lorsqu'une personne fume ou arrête de fumer.  - l'arrêt du tabac représente une des principales stratégies pour diminuer l'incidence des maladies causées par celui-ci dans la population. Le tabagisme peut influencer les traitements médicamenteux, soit en modifiant leur élimination par l'organisme, soit en agissant sur leur mode d'action. Parmi les médicaments les plus concernés, on retrouve par exemple: la caféine, la théophylline, la clozapine, l'olanzapine, la duloxétine, dont l'élimination est accélérée par la fumée de cigarette (induction enzymatique). Ceci peut se traduire par une diminution de l'effet du traitement et la nécessité d'en augmenter les doses chez les fumeurs. Au contraire, à l'arrêt de la cigarette, on observe un ralentissement de la fonction enzymatique, qui a pour conséquence une augmentation du taux de médicament dans le sang, pouvant devenir toxique. L'objectif principal de cette thèse était d'étudier comment cette induction par le tabac varie dans une population de fumeurs, par la mesure de l'activité de l'enzyme avant l'arrêt de la cigarette, ainsi qu'un mois après chez les sujets abstinents. Pour ce faire, une étude clinique a été conduite, incluant 194 fumeurs de la population générale dans un programme d'arrêt du tabac offrant des consultations spécifiques et un traitement médicamenteux (nicotine ou varénicline). Une méthode analytique a été mise au point pour mesurer la quantité de nicotine, de ses produits de dégradation et de la varénicline dans le sang des participants à l'étude. De plus, cette méthode a été utilisée pour confirmer l'abstinence pendant l'étude. Une grande variabilité interindividuelle a été observée dans l'induction de l'enzyme par la fumée; il en résulte aucun changement d'activité chez certains sujets après l'arrêt de la cigarette, alors que pour d'autres elle peut être diminuée jusqu'à 7 fois. Plusieurs facteurs cliniques et génétiques ont été étudiés pour essayer d'expliquer cette variabilité. Premièrement, une influence sur l'activité de l'enzyme a été observée pour les contraceptifs hormonaux et le nombre de cigarettes fumées par jour, ainsi que pour certaines variations génétiques dans le gène codant pour l'enzyme d'intérêt, mais il η y a pas eu d'influence sur l'induction. Par la suite, des variations génétiques dans d'autres gènes influençant le fonctionnement de l'enzyme ont été associées soit avec son activité, soit avec son induction par le tabac. Finalement, l'étude propose également d'investiguer si le métabolisme de la nicotine a une influence sur la dépendance, les symptômes de sevrage et le succès/échec de l'arrêt de la cigarette. Des variations génétiques dans les gènes du métabolisme de la varénicline sont également étudiées en lien avec les quantités de varénicline mesurées dans le sang ainsi que les effets du médicament. Ceci permettra peut-être de prédire son efficacité et ses effets secondaires. Les résultats de cette thèse suggèrent que l'influence du tabagisme sur la thérapie médicamenteuse serait mieux gérée en tenant compte des facteurs cliniques et peut-être, dans le futur, de la génétique dans l'adaptation des traitements, que la personne soit fumeuse ou en phase d'arrêt.

Glomus intraradices induces changes in root system architecture of rice independently of common symbiosis signaling

? Arbuscular mycorrhizal fungi colonize the roots of most monocotyledons and dicotyledons despite their different root architecture and cell patterning. Among the cereal hosts of arbuscular mycorrhizal fungi, Oryza sativa (rice) possesses a peculiar root system composed of three different types of roots: crown roots; large lateral roots; and fine lateral roots. Characteristic is the constitutive formation of aerenchyma in crown roots and large lateral roots and the absence of cortex from fine lateral roots. Here, we assessed the distribution of colonization by Glomus intraradices within this root system and determined its effect on root system architecture. ? Large lateral roots are preferentially colonized, and fine lateral roots are immune to arbuscular mycorrhizal colonization. Fungal preference for large lateral roots also occurred in sym mutants that block colonization of the root beyond rhizodermal penetration. ? Initiation of large lateral roots is significantly induced by G. intraradices colonization and does not require a functional common symbiosis signaling pathway from which some components are known to be needed for symbiosis-mediated lateral root induction in Medicago truncatula. ? Our results suggest variation of symbiotic properties among the different rice root-types and induction of the preferred tissue by arbuscular mycorrhizal fungi. Furthermore, signaling for arbuscular mycorrhizal-elicited alterations of the root system differs between rice and M. truncatula.

Selective abrogation of major histocompatibility complex class II expression on extrahematopoietic cells in mice lacking promoter IV of the class II transactivator gene.

MHC class II (MHCII) molecules play a pivotal role in the induction and regulation of immune responses. The transcriptional coactivator class II transactivator (CIITA) controls MHCII expression. The CIITA gene is regulated by three independent promoters (pI, pIII, pIV). We have generated pIV knockout mice. These mice exhibit selective abrogation of interferon (IFN)-gamma-induced MHCII expression on a wide variety of non-bone marrow-derived cells, including endothelia, epithelia, astrocytes, and fibroblasts. Constitutive MHCII expression on cortical thymic epithelial cells, and thus positive selection of CD4(+) T cells, is also abolished. In contrast, constitutive and inducible MHCII expression is unaffected on professional antigen-presenting cells, including B cells, dendritic cells, and IFN-gamma-activated cells of the macrophage lineage. pIV(-/-) mice have thus allowed precise definition of CIITA pIV usage in vivo. Moreover, they represent a unique animal model for studying the significance and contribution of MHCII-mediated antigen presentation by nonprofessional antigen-presenting cells in health and disease.

Revisiting the diacylglycerol-induced insulin resistance hypothesis.

Obesity is associated with skeletal muscle insulin resistance, which is a crucial step in the development of type 2 diabetes. Among the mechanisms by which obesity may lead to insulin resistance, lipotoxicity is one of the hypotheses being explored; others include inflammation or the oxidative stress hypotheses. This review focuses on the role of diacylglycerols (DAG), a family of lipid metabolites implicated in the pathogenesis of lipotoxicity and insulin resistance. While recent studies report contradictory results in humans with regard to the importance of DAG-induced insulin resistance in skeletal muscle, other current literature highlight a potential role for DAG as signalling molecules. This review will discuss possible hypotheses explaining these contradictory results and the need to explore further the role of DAG in human metabolism.

The SOCS3-independent expression of IDO2 supports the homeostatic generation of T regulatory cells by human dendritic cells.

Dendritic cells (DCs) are professional APCs that have a role in the initiation of adaptive immune responses and tolerance. Among the tolerogenic mechanisms, the expression of the enzyme IDO1 represents an effective tool to generate T regulatory cells. In humans, different DC subsets express IDO1, but less is known about the IDO1-related enzyme IDO2. In this study, we found a different pattern of expression and regulation between IDO1 and IDO2 in human circulating DCs. At the protein level, IDO1 is expressed only in circulating myeloid DCs (mDCs) and is modulated by PGE2, whereas IDO2 is expressed in both mDCs and plasmacytoid DCs and is not modulated by PGE2. In healthy subjects, IDO1 expression requires the presence of PGE2 and needs continuous transcription and translation, whereas IDO2 expression is constitutive, independent from suppressor of cytokine signaling 3 activity. Conversely, in patients suffering from inflammatory arthritis, circulating DCs express both IDO1 and IDO2. At the functional level, both mDCs and plasmacytoid DCs generate T regulatory cells through an IDO1/IDO2-dependent mechanism. We conclude that, in humans, whereas IDO1 provides an additional mechanism of tolerance induced by proinflammatory mediators, IDO2 is stably expressed in steady-state conditions and may contribute to the homeostatic tolerogenic capacity of DCs.

Peptabody-EGF: a novel apoptosis inducer targeting ErbB1 receptor overexpressing cancer cells.

The epidermal growth factor receptor (EGFR) plays a central role in cell life by controlling processes such as growth or proliferation. This receptor is commonly overexpressed in a number of epithelial malignancies and its upregulation is often associated with an aggressive phenotype of the tumor. Thus, targeting of EGFR represents a very promising challenge in oncology, and antibodies raised against this receptor have been investigated as potential antitumor agents. Various putative mechanisms of action were proposed for such antibodies, including decreased proliferation, induction of apoptosis, stimulation of the immunological response against targeted cancer cells or combinations thereof. We report here the development of an alternative high affinity molecule that is directed against EGFR. Production of this pentameric protein, named peptabody-EGF, includes expression in a bacterial expression system and subsequent refolding and multimerization of peptabody monomers. The protein complex contains 5 human EGF ligand domains, which confer specific binding towards the extracellular portion of EGFR. Receptor binding of the peptabody-EGF had a strong antiproliferative effect on different cancer cell lines overexpressing EGFR. However, cells expressing constitutive levels of the target receptor were barely affected. Peptabody-EGF treated cancer cells exhibited typical characteristics of apoptosis, which was found to be induced within 30 min after the addition of the peptabody-EGF. In vitro experiments demonstrated a significantly higher binding activity for peptabody-EGF than for the therapeutic monoclonal EGFR antibody Mab-425. Furthermore, the antitumor action provoked by the peptabody-EGF was greatly superior than antibody mediated effects when tested on EGFR overexpressing cancer cell lines. These findings suggest a potential application of this high affinity molecule as a novel tool for anti-EGFR therapy.

Postmortem computed tomography angiography, contrast medium administration and toxicological analyses in urine.

Postmortem angiography methods that use water soluble or lipid soluble liquid contrast compounds may potentially modify the composition of fluid-based biological samples and thus influence toxicological findings. In this study, we investigated whether toxicological investigations performed in urine collected prior to and post angiography using Angiofil? mixed with paraffin oil are characterized by different qualitative or quantitative results. In addition, we studied whether diluting samples with 1% and 3% contrast medium solution may modify molecule concentration. A postmortem angiography group consisting of 50 cases and a postmortem group without angiography consisting of 50 cases were formed. In the first group, toxicological investigations were performed in urine samples collected prior to and post angiography as well as in undiluted and diluted samples. In the second group, analyses were performed in undiluted and diluted urine, bile, gastric content, cerebrospinal and pericardial fluids collected during autopsy. The preliminary results indicate that differences may be observed between urine samples collected prior to and post angiography in the number of identified molecules in relation to specific cases. Analyses performed in diluted samples failed to reveal differences that might potentially alter the interpretation of toxicological results in all analyzed specimens for nearly all molecules, except for tetrahydrocannabinol and its metabolites. Though these findings suggest that toxicology might be effectively performed, in very special cases and for a large number of molecules, in biological samples collected after angiography, it remains recommendable to collect biological fluids for toxicology prior to contrast medium injection.

Oral insecticidal activity of root colonizing Pseudomonas fluorescens CHA0: a biocontrol agent with potential to control plant pests and diseases

The application of microbial biocontrol agents for the control of fungal plant diseases and plant insect pests is a promising approach in the development of environmentally benign pest management strategies. The ideal biocontrol organism would be a bacterium or a fungus with activity against both, insect pests and fungal pathogens. Here we demonstrate the oral insecticidal activity of the root colonizing Pseudomonas fluorescens CHA0, which is so far known for its capacity to efficiently suppress fungal plant pathogens. Feeding assays with CHA0-sprayed leaves showed that this strain displays oral insecticidal activity and is able to efficiently kill larvae of three important insect pests. We further show data indicating that the Fit insect toxin produced by CHA0 and also metabolites controlled by the global regulator GacA contribute to oral insect toxicity.

Quantification of the neurochemical profile using simulated macromolecule resonances at 3 T.

The broad resonances underlying the entire (1) H NMR spectrum of the brain, ascribed to macromolecules, can influence metabolite quantification. At the intermediate field strength of 3 T, distinct approaches for the determination of the macromolecule signal, previously used at either 1.5 or 7 T and higher, may become equivalent. The aim of this study was to evaluate, at 3 T for healthy subjects using LCModel, the impact on the metabolite quantification of two different macromolecule approaches: (i) experimentally measured macromolecules; and (ii) mathematically estimated macromolecules. Although small, but significant, differences in metabolite quantification (up to 23% for glutamate) were noted for some metabolites, 10 metabolites were quantified reproducibly with both approaches with a Cramer-Rao lower bound below 20%, and the neurochemical profiles were therefore similar. We conclude that the mathematical approximation can provide sufficiently accurate and reproducible estimation of the macromolecule contribution to the (1) H spectrum at 3 T. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.

Amplification of the housekeeping sigma factor in Pseudomonas fluorescens CHA0 enhances antibiotic production and improves biocontrol abilities.

Pseudomonas fluorescens CHA0 produces a variety of secondary metabolites, in particular the antibiotics pyoluteorin and 2,4-diacetylphloroglucinol, and protects various plants from diseases caused by soilborne pathogenic fungi. The rpoD gene encoding the housekeeping sigma factor sigma 70 of P. fluorescens was sequenced. The deduced RpoD protein showed 83% identity with RpoD of Pseudomonas aeruginosa and 67% identity with RpoD of Escherichia coli. Attempts to inactivate the single chromosomal rpoD gene of strain CHA0 were unsuccessful, indicating an essential role of this gene. When rpoD was carried by an IncP vector in strain CHA0, the production of both antibiotics was increased severalfold and, in parallel, protection of cucumber against disease caused by Pythium ultimum was improved, in comparison with strain CHA0.

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.

Techniques for analytical testing of unconventional samples.

Forensic scientists have long detected the presence of drugs and their metabolites in biological materials using body fluids such as urine, blood and/or other biological liquids or tissues. For doping analysis, only urine has so far been collected. In recent years, remarkable advances in sensitive analytical techniques have encouraged the analysis of drugs in unconventional biological samples such as hair, saliva and sweat. These samples are easily collected, although drug levels are often lower than the corresponding levels in urine or blood. This chapter reviews recent studies in the detection of doping agents in hair, saliva and sweat. Sampling, analytical procedures and interpretation of the results are discussed in comparison with those obtained from urine and blood samples.

Targeting B-cell lymphomas with inhibitors of the MALT1 paracaspase.

The paracaspase MALT1 is an Arg-specific protease that cleaves multiple substrates to promote lymphocyte proliferation and survival. The catalytic activity of MALT1 is normally tightly regulated by antigen receptor triggering, which promotes MALT1 activation by its inducible monoubiquitination-dependent dimerization. Constitutive MALT1 activity is a hallmark of specific subsets of B-cell lymphomas, which are characterized by chromosomal translocations or point mutations that activate MALT1 or its upstream regulators. Recent findings suggest that such lymphomas may be sensitive to treatment with MALT1 inhibitors. Here we review recent progress in the understanding of MALT1 function and regulation, and the development of small molecule MALT1 inhibitors for therapeutic applications.

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.