Manuscrit Jérémy Pivetal derniere version

I
Année 2013 n° d'ordre 2013-10
ÉCOLE CENTRALE DE LYON
THÈSE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : « Ingénierie pour le vivant »
préparée dans le Laboratoire Ampère
dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Électronique, Électrotechnique et Automatique »
par
Jérémy Pivetal
Développement et premières applications d’une méthode de tri de cellules
bactériennes par marquage de l’ADN avec des nanoparticules magnétiques pour
l’étude de la diversité bactérienne environnementale et des transferts
horizontaux de gènes in situ.
JURY
Président
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Examinateur
Encadrant
Encadrant
Directeur de thèse
Pierre Peyret
Thierry Heulin
Marie-Caroline Jullien
Nora Dempsey
Philippe Garrigues
Marie Frénéa-Robin
Naoufel Haddour
Pascal Simonet
Professeur
–
Université
Blaise Pascal, Clermont
Ferrand
Directeur de Recherche CNRS – institut de
biologie environnementale et biotechnologie,
Cadarache
Chargée de Recherche CNRS – Ecole supérieur
de physique et de chimie industrielles de la ville
de Paris
Chargée de Recherche CNRS – Institut Néel,
Grenoble
Directeur de Recherche CNRS – Institut des
Sciences Moléculaires, Bordeaux
Maître de Conférences – Université Claude
Bernard Lyon 1, laboratoire Ampère
Maître de Conférences – Ecole Centrale de Lyon
Directeur de Recherche CNRS, Ecole Centrale
de Lyon

TITRE : DEVELOPPEMENT ET PREMIERES APPLICATIONS D’UNE METHODE DE TRI DE CELLULES BACTERIENNES
PAR MARQUAGE DE L’ADN AVEC DES NANOPARTICULES MAGNETIQUES POUR L’ETUDE DE LA DIVERSITE
BACTERIENNE ENVIRONNEMENTALE ET DES TRANSFERTS HORIZONTAUX DE GENES IN SITU.
II
Résumé : En dépit de leur importance, la caractérisation des communautés bactériennes dans l’environnement reste encore très
incomplète. Les principales raisons sont, d’une part, la difficulté d’appréhender la totalité de la communauté bactérienne quand
plus de 99% des bactéries demeurent récalcitrantes à la culture in vitro et ne peuvent donc être étudiées par les approches
classiques de microbiologie. D’autre part, la métagénomique, censée contourner cette méthode de culture en s’intéressant à
l’ensemble des génomes extraits des milieux d’études, demeure elle aussi imparfaite du fait de limitations techniques (biais
d’extraction de l'ADN, de clonage, de PCR, de séquençage et d’assemblage des génomes etc.) et conceptuelles, inhérentes à la
complexité et l’hétérogénéité des environnements. Pour compenser les limites de chacune de ces techniques, des méthodes de
tri cellulaire appliquées en conjonction avec les deux premières pourraient aider à un meilleur décryptage de la diversité
microbienne. Basée sur la sélection spécifique (taxonomique et/ou fonctionnelle) et l’isolement direct des cellules bactériennes
ciblées à partir d’un échantillon environnemental complexe, l’étude est restreinte à une population spécifique, voire à une
cellule isolée. Pourront alors être appliquées les approches classiques de mise en culture ou d’extraction de l’ADN pour une
étude restreinte à l’ADN ou l’ARN, leur répétition sur les différentes populations devant à terme (lointain) approcher
l’exhaustivité. C’est dans ce contexte que s’est positionné ce travail de thèse visant dans un premier temps à mettre au point un
nouvel outil de tri cellulaire basé sur l’intégration de micro-aimants permanents dans un canal microfluidique. A partir de ce
système de tri magnétique miniaturisé, offrant de nombreux avantages (dispositif portable, peu coûteux, nécessitant de faibles
volumes réactionnels et potentiellement intégrable en « laboratoire sur puce »), une technique d’isolement sélectif de cellules
bactériennes marquées magnétiquement a alors été développée. Ciblées sur des critères taxonomiques après hybridation in situ
avec des sondes d’acides nucléiques biotinylés complémentaires d’une région spécifique du gène 23S rRNA, des cellules
bactériennes ont été marquées magnétiquement après réaction de la sonde avec des nanoparticules magnétiques
fonctionnalisées par des molécules de streptavidine. Les premiers résultats montrent l’établissement d’une méthode de tri
suffisamment spécifique et sensible pour piéger les cellules marquées diluées (0,04%) au sein d’une suspension, à des niveaux
compatibles avec l’isolement futur de populations d’intérêt à partir de communautés d’environnements complexes. Sur un
principe comparable, l’approche a été adaptée à l’étude des transferts horizontaux de gènes in situ. Les applications d’un tri
cellulaire grâce au marquage par des nanoparticules magnétiques et l’emploi de micro-aimants intégrés dans des
microsystèmes fluidiques semblent donc très prometteuses pour le développement de la microbiologie environnementale.
Mots clés : tri cellulaire magnétique ; microsystème ; hybridation magnétique in situ ; nanoparticules magnétiques ; transfert
horizontal de gènes, génomique sur cellules isolées.
TITLE: DEVELOPMENT AND FIRST APPLICATIONS OF A BACTERIAL CELL SORTING METHOD BY LABELING DNA
WITH MAGNETIC NANOPARTICLES TO STUDY BACTERIAL DIVERSITY AND IN SITU HORIZONTAL GENE
TRANSFER.
Summary : Despite their importance, bacterial communities in the environment remain poorly characterized. On the one hand,
it is difficult to gain knowledge of the community as a whole because over 99% of bacteria are recalcitrant to in vitro culture,
rendering classic microbiological approaches imposible to carry out. On the other hand, metagenomics, which can be used to
circumvent culture-based approaches by extracting all the genomes from a given environment, is also problematic given the
associated technical limitations (biases related to DNA extraction, cloning, PCR, genome sequencing and assembling etc.), and
conceptual difficulties related to the complexity and the homogeneity of the environments. In order to overcome some of the
limitations of these approaches, bacterial cell selection methods have been developed and can be used to improve our
understanding of microbial diversity. Based on taxonomic and/or functional selection and the direct isolation of bacterial cells
from an environmental sample, bacterial cell selection can be used to reduce microbial community complexity by targeting
specific populations, or even an isolated cell. A variety of classic approaches such as cultivation or DNA/RNA extraction can
then be carried out. This cycle can theoretically be repeated until all members of the community are characterized. The aim of
this doctoral thesis was to design a novel cell selection tool based on the permanent integration of micro-magnets into a micro-
fluidic canal. In conjunction with a new miniaturized magnetic selection system that provides several advantages over larger
systems (portable, low cost, requiring smaller reaction volumes and can be potentially integrated on “laboratory on a chip”
systems), a method for selective bacterial cell isolation using magnetic labeling was developed. The bacterial cells were targeted
based on taxonomic criteria; biotin-labeled probes were developed for a specific region of the 23S rRNA gene. Following in situ
hybridization with the probes, baceterial cells were labeled with streptavidin-functionalized magnetic nanoparticles. First
results showed that the tool was specific and sensitive enough to trap labeled and diluted (0,04%) cells from a suspension at
levels that are comparible to populations of interest found in complex environmental communities. This tool has also been
adapted to study in situ horizontal gene transfer as well. The application of a cellular selection tool that labels targets with
magnetic nanoparticles coupled to fluidic microsystems with integrated nano-magnets looks very promising for future studies
in environmental microbiology.
Key words: magnetic cell sorting ; microsystems ; magnetic in situ hibridization ; magnetic nanoparticles ; horizontal gene
transfer, single cell genomics.

III

- 1 -
Remerciements
Avant tout, je tiens à exprimer mes profonds remerciements à mes directeurs/co-directeurs de thèse,
Pascal Simonet, Marie Frénéa-Robin et Naoufel Haddour. Pascal, merci d’avoir cru en moi et de
m’avoir offert la chance de pouvoir réaliser cette thèse. Merci pour tes conseils, pour ton soutien et
l’attachement que tu as eu pour le travail que j’ai effectué. Marie, merci pour ta gentillesse, ta
patience, et surtout de ton investissement envers moi durant ces trois années (et demi…) au même
titre que Naoufel avec qui j’ai vraiment eu la chance de travailler. C’est vrai que mes « oui mais
non… » et ma positivité étaient peut être un peu compliqués à gérer mais finalement on s’est toujours
bien entendus, non ☺ ? Merci à vous trois, vraiment…
Pour ce qui est de l’accomplissement de cette thèse, je remercie toutes les personnes qui ont été
impliquées dans ce projet : Nora Dempsey, Frederic Dumas-Bouchiat, Gilbert Reyne, Luiz Fernando
Zanini et Georgeta Ciuta. Merci à la région Rhône-Alpes d’avoir financé ce projet et merci aux
membres du jury qui ont bien voulu me consacrer une partie de leur temps : Thierry Heulin, Marie-
Caroline Jullien, Pierre Peyret, Philippe Garrigues et encore une fois Nora Dempsey.
Je souhaite également remercier Timothy Vogel et Delina Lyon avec qui tout a (finalement) commencé.
Tim I’d like to thank you for giving me the opportunity to join the lab but more importantly I’d like to
thank you for your kindness and all the discussion scientific and otherwise. Big thanks Tim… Del, it
was a real pleasure learning from you, you taught me that you can do good science and still have fun.
J’en profite aussi dans la liste des «avec qui tout a (finalement) commencé » pour remercier Sébastien
Cecillon qui, je le sais, m’a toujours appuyé. Merci Seb !
A présent, je remercie les personnes de mon bureau, avec lesquelles j’ai passé ces trois ans (et demi…)
et avec qui j’ai noué des liens professionnels et amicaux. Je commencerais par Jospeh Nesme, parce que
quand on Nesme on compte pas, Eliana Rondon-Pinilla-Davoine qui arrivera bien à faire marcher ses
simoulacíon un jour, Amal El-Gaddar pour son esprit content tout le temps et Alban Mathieu avec
qui - du master, au stage avec Nathalie Lombard (ah oui merci Nat!) jusqu'à la thèse que lui a préféré
faire deux fois – j’ai passé vraiment beaucoup de temps. C’était bien cool Alban.
Un merci à tant d’autres personnes : Samuel Jacquiod avec ses bin dis donc…, Laurine Blanchard avec
ces chocs multi chocs ! sans oublier bien sure Marvic Rico, Lorrie Maccario, Sandrine Demanèche,
Laure Franqueville, D’Js (Alias Jean-Sébastien Beaunes), Jérémy Reboulet, Isabelle Navaro, Laura
Sanguino. Mes chèrs collègues de microsystèmes : Osman Osman, Samia Menad, Sylvain Toru. Mais
encore, Riccardo Scorretti, François Buret, Sylvia Ribot, Marie-Christine Havgoudoukian, Fatima El-
Boukhrissi, Richard ébénistes biologiste et Jacques…Je remercie également et particulièrement Alice
qui, quelque part entre deux congés bonifiés, était toujours là pour nous.