Soutenance de thèse de Julián BULSSICO

La résistance aux antibiotiques est une menace majeure pour la santé publique, ce qui pousse la communauté scientifique à développer des stratégies alternatives. L'une d'entre elles est la thérapie combinant bactériophages et antibiotiques, qui est déjà administrée dans le cadre de soins compassionnels. En effet, la combinaison de ces deux types d'antibactériens présente souvent un effet synergique. Cet effet peut être observé sous la forme d'une propagation accrue des phages au sein d'une population bactérienne en présence d'antibiotiques. Malgré l'importance de ces interactions, la base moléculaire de la synergie est loin d'être entièrement déchiffrée. L'objectif principal de ce projet est de caractériser de manière approfondie la propagation des phages en présence d'antibiotiques. Pour ce faire, nous avons développé de puissantes techniques de microscopie et d'analyse d'images afin de visualiser l'infection des phages à l’échelle de cellule unique dans différentes conditions. Nos résultats suggèrent que la synergie est remarquablement conditionnée par la structure des milieux dans lesquels les phages et les bactéries interagissent : Dans des environnements liquides bien mélangés, nous avons évalué l'impact des antibiotiques induits par la filamentation sur la prédation des phages. Nous avons observé que l'altération de la division bactérienne augmente l’efficacité des phages. En outre, nos nouvelles techniques de suivi nous ont permis de quantifier l'hétérogénéité de l'infection par les phages. Nous avons observé qu'en raison de leur taille élargie, les filaments sont infectés et lysés plus souvent que les cellules de taille normale, ce qui étonnamment limite la mutagénèse bactérienne. En milieu semi-solide, nous avons mesuré l'impact de deux antibiotiques synergiques sur les phages et les bactéries, dans l'espoir de trouver des effets communs qui pourraient expliquer l'amélioration de la propagation des phages. Nous avons conclu que les changements de morphologie bactérienne induits par les antibiotiques sont cruciaux pour l'apparition de la synergie, et que deux formes différentes (sphéroïdes et filaments) peuvent conduire à cet effet. Une particularité de ce travail de thèse est que nous présentons, pour chaque cas, un modèle mathématique permettant de prédire les interactions synergiques observées, que ce soit en milieu liquide ou semi-solide. Un exploit remarquable qui souligne l'importance des approches scientifiques interdisciplinaires. Enfin, dans une dernière section, nous présentons un modèle permettant d'étudier l'adaptation des phages à des hôtes résistants dans des milieux spatialement structurés. Pour ce faire, nous avons créé un système minimaliste permettant à l'expérimentateur de contrôler le niveau de résistance et d'obtenir des informations sur la nature et la fréquence de l'adaptation des phages. Cela pourrait conduire à l'étude de l'adaptation des phages en présence d'antibiotiques ou dans des conditions différentes. Dans l'ensemble, ce travail de thèse présente de nouvelles perspectives sur l'interaction complexe entre les phages, les antibiotiques et les bactéries, contribuant à la caractérisation de la propagation épidémique dans les populations bactériennes souffrant de différents types de stress, en soulignant le rôle du degré de structuration spatiale du système.

Antibiotic resistance is a major threat to public health, pushing the scientific community to develop alternative strategies. One of these is therapy combining bacteriophages and antibiotics, which is already administered in compassionate care. The combination of these two types of antibacterial, indeed, often displays a synergistic effect. This can be observed as enhanced phage propagation within a bacterial population in the presence of antibiotics. Despite the importance of such interactions, the molecular basis of synergy is far from being fully deciphered. The main focus of this project is to thoroughly characterise phage propagation in the presence of antibiotics. To achieve this, we developed powerful microscopy and image analysis techniques to visualize phage infection with single-cell resolution under different conditions. Our results suggest that synergy is remarkably conditioned by the structuration of the media in which phage and bacteria interact: In well-mixed, liquid environments we assessed the impact of filamentation-induced antibiotics on phage predation. We observed that impaired bacterial division enhances phage killing. Additionally, our novel tracking techniques allowed us to quantify the heterogeneity in phage infection. We observed that, due to their enlarged sizes, filaments are infected and lysed more often than regular-sized cells, which surprisingly limits bacterial mutagenesis. In semisolid media, we measured the impact of two synergistic antibiotics on both phage and bacteria, expecting to find common effects that could explain enhanced phage propagation. We concluded that antibiotic-induced changes in bacterial morphology are crucial for the occurrence of synergy, and that two different altered shapes (spheroids and filaments) can lead to this effect. A particularity of this thesis work is that we present, on each case, a mathematic model to predict the observed synergistic interactions either in liquid or semisolid media. A remarkable feat that stresses the importance of interdisciplinary scientific approaches. Finally, in a last section we present a model to study phage adaptation to resistant hosts in spatially structured media. For this we created a minimalistic system allowing the experimenter to control the stringency of the resistance with insights on the nature and frequency of phage adaptation. This could lead to the study of phage adaptation in the presence of antibiotics or different conditions. Overall, this thesis work presents new insights on the intricate interplay between phage, antibiotics, and bacteria, contributing to the characterization of epidemic propagation in bacterial populations suffering different types of stress, highlighting the role of the degree of spatial structuration of the system.