Kinetic study of cold adaptation in Bacillus cereus
Etude cinétique de l'adaptation au froid chez Bacillus cereus
Résumé
The spore-forming bacterium Bacillus cereus is a major cause of foodborne outbreaks in Europe. Some B. cereus strains can grow at low temperatures and consequently during the storage of refrigerated foods. Bacterial cold adaptation is characterized by a lag phase in which the bacteria do not multiply and modify their physiology to cope with the constraints of low temperatures. During the lag phase, diverse events take place and these are poorly understood. From a practical point of view, the risk of B. cereus multiplication in refrigerated foods is consequently difficult to predict. Our aim is to determine a sequence of molecular and physiological events during the lag phase at low temperature in B. cereus. The expression of specific genes was studied by transcriptional reporter systems with the fluorescent proteins GFP and mCherry. At the physiological level, the kinetics of fatty acid modifications during cold growth was investigated. The increase in desaturations in the Δ5 position was observed at the end of lag in the three strains tested at low temperature and continues throughout the growth. For other modifications, B. cereus strains have kinetics of their own and appear to use different means to adapt to low temperatures. Despite this, the desA gene (desaturase), which causes desaturations in the Δ5 position, has a different kinetics of expression in two mesophilic B. cereus strains. For one, it was expressed in the exponential phase, for the other at the end of the stationary phase and very weakly. Similarly, the abrB gene (transcriptional regulator) is not expressed at the same time in three strains of B. cereus. A strong promoter activity of this gene was observed in strain ATCC 14579 during lag but this activity started in the middle of the exponential phase in the other two strains. On the other hand, it was observed that the cshA gene (RNA helicase), at cold or optimal temperature, at neutral or acidic pH, was always expressed during the lag phase in three strains from different phylogenetic groups of B. cereus. This gene is therefore a biomarker of the lag phase in B. cereus. The ftsAZ operon (involved in cell division) could, with its expression starting with the first cell divisions, constitute a potential biomarker of the exit of lag phase, and with a peak of expression in the exponential phase, a good marker of this phase.
Les spores formées par le groupe Bacillus cereus sensu lato sont d’un intérêt sanitaire et économique particulier. Les agents pathogènes B. cereus et B. anthracis sont notamment et respectivement responsables de toxi-infections alimentaires très fréquentes et, de l’anthrax, une maladie rare mais souvent mortelle pour les mammifères. Les spores formées par ces espèces sont enveloppées par un exosporium, un feuillet protéique, par ailleurs absent de la bactérie modèle B. subtilis.. L’exosporium est important pour contrôler les molécules qui accèdent aux couches plus internes de la spore et la protège ainsi d’évènements de germination dans des conditions qui seraient impropres à soutenir l’émergence d’une population bactérienne. Dans le cadre de l’anthrax, le lieu de germination de la spore est critique pour l’établissement d’une infection. Malgré ces fonctions importantes pour la bactérie, la connaissance des mécanismes moléculaires de l’assemblage de l’exosporium et plus largement des couches protéiques externes des spores de B. cereus demeure parcellaire. Dans le cadre de cette thèse, nous avons utilisé pour la première fois une approche de microscopie de fluorescence super-résolution « Structure Illumination » (SR-SIM) pour étudier la cinétique de sporulation de cellules de B. cereus. Cette approche nous a permis d’observer le développement des couches protéiques externes des spores et de déterminer le positionnement relatif des protéines importantes pour la genèse de l’exosporium. Ainsi, nous avons mis en évidence l’existence d’une armature faite de protéines morphogénétiques présentes autour de la spore, avant que les couches protéiques externes ne soient visibles. Par ailleurs, l’étude d’une souche de B. cereus dans laquelle l’engulfment est inachevé a révélé une divergence importante entre B. subtilis et B. cereus dans le contrôle de l’activation des facteurs sigma de la sporulation. Enfin, en prenant avantage de l’homogénéité particulière induite par une température de sporulation sous-optimale, nous avons mis en évidence les protéines associées à l’armature des couches protéiques externes qui se distinguent des facteurs intervenant dans la maturation ultérieure de cette matrice en un coat, un interspace et un exosporium. L’ensemble de nos travaux pose de nouveaux jalons dans la compréhension des mécanismes moléculaires de l’assemblage des couches protéiques externes des spores de B.cereus.