Soutenance de thèse de Anissa DIEUDONNE

L’arsenic, un métalloïde naturellement présent dans la croûte terrestre, est le contaminant qui affecte la santé du plus grand nombre de personnes dans le monde, selon l’Organisation Mondiale de la Santé. Les populations les plus vulnérables ont peu de ressources, il leur faut donc un moyen économique, efficace et facile à utiliser pour détecter l’arsenic. Les biodétecteurs cellules entières sont une solution, répondant à tous ces critères, mais nécessitant bien souvent une optimisation de leur sensibilité et des adaptations spécifiques pour qu’ils soient utilisables hors d’un laboratoire. Dans ce contexte, les bactéries magnétotactiques représenteraient des châssis cellulaires prometteurs pour le développement de biosenseurs, du fait de leur magnétisme intrinsèque permettant de les concentrer et les piéger aisément, cette hypothèse est à la base de mon projet de thèse. Dans une première étape de ce travail, nous avons évalué la résistance de ces microorganismes à différents métaux toxiques, puis nous avons identifié dans le génome de deux souches de bactéries magnétotactiques, Magnetospirillum magneticum AMB-1 et Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1, des promoteurs potentiellement inductibles par l’arsenic. Cette approche in silico a été confirmée par des analyses transcriptomiques par RT-PCR. Nous avons ensuite construit des biodétecteurs magnétotactiques en plaçant l’opéron de luciférase, luxCDABE, sous contrôle des promoteurs mentionnés. Une réponse spécifique à l’arsénite est obtenue en 30 minutes avec une limite de détection de l’arsénite de 0,5 μM. Après concentration magnétique, la sensibilité est améliorée d’un facteur 50 pour atteindre 10 nM, soit plus d’un ordre de grandeur en dessous des seuils recommandés pour l’arsenic dans l’eau potable (0,13 µM). Nous avons de plus démontré que ces biodétecteurs ont l’avantage de pouvoir se conserver plusieurs mois sous forme lyophilisée, facilitant leur transport. Enfin, nous avons détourné la voie de biosynthèse du magnétisme des bactéries pour la rendre inductible à l’arsenic, une première étape dans la conception de biodétecteurs cellules entières inédits, basés sur l’acquisition du magnétisme par l’induction du métalloïde. Ce travail ouvre la voie à l’émergence de biodétecteurs cellules entières sensibles, immobilisés et adaptés à une utilisation sur le terrain.

Arsenic, a metalloid naturally present in the Earth’s crust, is the contaminant that affects the health of the largest number of people worldwide, according to the World Health Organization. The most vulnerable populations have few resources, thus there is a need for an affordable, efficient and easy-to-use way to detect arsenic. Whole-cell biosensors are a solution, they can meet all these criteria, but they still often require optimization for the sensitivity and specific adaptations for practical use outside the laboratory. In this context, magnetotactic bacteria would be promising hosts for the development of biosensors, because of their intrinsic magnetism allowing their easy concentration and entrapment, this hypothesis is the basis of my thesis project. In a first step of this work, we evaluated the resistance of these microorganisms to different toxic metals, then we identified within the genomes of two magnetotactic bacteria strains, Magnetospirillum magneticum AMB-1 and Magnetospirillum gryphiswaldense MSR-1, promoters potentially inducible by arsenic. This in silico approach was confirmed by transcriptomic RT-PCR analyses. We then built magnetotactic biosensors by placing the luciferase operon, luxCDABE, under the control of the mentioned promoters. They gave an element-specific response in 30 minutes with an arsenite detection limit of 0.5 μM. After magnetic concentration, we improved the sensitivity by a factor of 50 to reach 10 nM, more than one order of magnitude below the recommended guidelines for arsenic in drinking water (0.13 µM). Moreover, we demonstrated that these biosensors have the advantageous possibility to be stored for several months in freeze-dried form, facilitating their transport. Finally, we rerouted the biosynthetic pathway of the magnetism of the bacteria to render it inducible by arsenic, a first step in the design of innovative whole-cell biosensors based on the acquisition of magnetism by metalloid induction. This work paves the way for the emergence of sensitive and immobilized whole-cell biosensors tailored for use in the field.