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Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine Régis GRIMAUD UMR5254, CNRS/ UNIV PAU & PAYS ADOUR, INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO - CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATERIAUX. Mardi 28 février 2017 Didier STIEN LABORATOIRE DE BIODIVERSITÉ ET BIOTECHNOLOGIES MICROBIENNES LBBM - USR3579 – CNRS- OBSERVATOIRE DE BANYULS - UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE

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Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

Régis GRIMAUD UMR5254, CNRS/ UNIV PAU & PAYS ADOUR, INSTITUT DES SCIENCES ANALYTIQUES ET DE PHYSICO - CHIMIE POUR L'ENVIRONNEMENT ET LES MATERIAUX.

Mardi 28 février 2017

Didier STIEN LABORATOIRE DE BIODIVERSITÉ ET BIOTECHNOLOGIES MICROBIENNES LBBM - USR3579 – CNRS- OBSERVATOIRE DE BANYULS - UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE

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Biofilms are bacterial communities living at interfaces

Planktonic

Biofilms mono-species multi-species

1 Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

Neu, T.R. and Lawrence, J.R. (2015)

Trends in Microbiology 23: 233–242

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Biofilms are ubiquitous in ecosystems

Natural ecosystems Biofilms drive biogeochemical cycles C, N, S, P, Fe…

Artificial ecosystems Biofilms are responsible for major damages Bio-corrosion bio-fouling … Contamination of medical implants

Host associated ecosystems Biofilms are responsible for difficult to treat infections Biofilms are also essential for hosts: root or gut microbiota

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From: Flemming, H.-C., et al (2016) Nature Reviews Microbiology 14: 563–575.

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Biofilms are complex organized and diverse structures Heterogeneity in biofilms

Transport of solutes is controlled by diffusion

Immobilized cells High cell density Chemical micro-gradients Micro-habitat Physiological/taxonomic Diversity

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Biofilms are complex organized and divers structures Social interactions in biofilms Communication Cooperation Competition

Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

Flemming, H.-C., et al (2016) Nature Reviews Microbiology 14: 563–575.

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Structure and properties of biofilms results from chemical heterogeneity and social interaction

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Structure function

Knowledge on biofilms at the molecular level comes from a few model bacteria, most often pathogenic

Estimated diversity of bacteria: ~30 000 described species

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6 Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

Bacteria are obligate osmotrophs

Assimilation of substrates is limited by size and solubility

Dissolved carbon

< 1000 Da

Benner, Ronald, and Rainer M. W. Amon. “The Size-Reactivity Continuum of Major

Bioelements in the Ocean.” 2015 In Annual Review of Marine Science, Vol 7, edited

by C. A. Carlson and S. J. Giovannoni, 7:185–205.

Particles, Gels, colloids,

macromolecules

Adsorbed or dissolved in

non-aqueous phase

Particulate carbon

In ocean ~ 25% of organic carbon is not dissolved

~76% dissolved organic carbon: water-soluble low molecular weight compounds

small metabolites, organic acids and monomers or

small oligomers of biopolymers and their diagenetic

alteration products.

~22% Colloidal organic carbon: nm µm

~2 % Particulate organic carbon µm mm, cm

sinking = marine snow

80% proteins, polysaccharides, lipids

Reactive

Total Organic Carbon

TOC

Recalcitrant

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Biofilms enable solubilization of Particulate Organic Carbon Neige marine « hot spot » de l’activité bactérienne A marine snow aggregate 37 µm x 27 µm colonized by bacteria (~109 bacteria per ml) stained blue with DAPI

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Azam, Farooq, and Richard A. Long. “Sea Snow Microcosms.” Nature 414, no. 6863 (November 29, 2001): 495–98.

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Objective Establish new models for the study of interspecific social behaviors taking place within biofilms from Marine lytic biofilms

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Social behaviors: -cooperation: metabolites exchange, intercellular communications -competition: public goods exploitation, toxins production

Intercellular interactions are crucial for accessing to substrates not directly available.

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Marinobacter hydrocarbonoclasticus SP17 forms biofilms on lipids and hydrocrabons

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Biofilm on an alkane droplet

Biofilm on solid alkane

Triglycerides

Wax esters

Alkanes

Fatty acids

Fatty acids

Fatty alcohol

Biofilm on triglyceride

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10 Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

M. hydrocarbonoclasticus biofilm on n-hexadecane produces a proteinaceous matrix

SEM image of M. hydrocarbonoclasticus biofilm grown on n-hexadecane

The matrix extract contained per gram (dried weight) of biofilm: 71 ± 7 mg of EPS 20.0 ±1.1 mg of proteins 3.5 ±0.1 mg of carbohydrates 0.5 ±0.1 mg of nucleic acids

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11 Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

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12 Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

The matrix comprises both cytoplasmic and extra-cytoplasmic proteins

Two –dimensional gel electrophoresis of matrix proteins extracts of M.

hydroarbonoclastcus SP17 biofilm grown on n-hexadecane.

.

Identified matrix proteins classified according to

COG categories.

Cellular localization of matrix proteins

predicted with PSORTb 3.0.2 and lipoP 1.0

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13 Modèles de biofilms sociaux issus de la diversité marine

MARHY2041

35% 38% 44% 67% 42% 34% 65% 60% 28% 29% 37%

ΔCTGCTGGG

Pos.233 1KB miniTn5

Organization of T2SS genes in M. hydrocarbonoclasticus SP17

Pseudomonas aeruginosa PAO1

M. hydrocarbonoclasticus SP17

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

Extracellular Lipase activity p-NP_octanoate

hydrolysis (nmol.min-1)

Growth substrates

wild-type

gspG::miniTn5

The gspG::miniTn5 mutant is defective in lipase secretion

wt

gspG + lipase

gspG

Biofilm on trioleine

gspG + esterase

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Looking for oleolytic biofilms

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Microscope slide

Substrate coating

Biofilm

Mineral medium

Screening of collections (MOLA Banyuls) Crystal violet assay

Biofilms isolation from seawater: North Sea Bizerte Bay (Tunisia)

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Marine strains forming oleolytic biofilms

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Gamma Proteobacteria

Alpha Proteobacteria

Bacteriodetes

Actinobacteria

Paraffin (alkanes)

Triglyceride

Wax ester

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Marine strains forming oleolytic biofilms

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Class 1

Class 2

Class 3

Class 4

Class 5

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Revealing social interactions in oleolytic strains. Interstitial biofilm

Mixed species biofilm

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Identification of extracellular metabolites

Development of

genetic tools

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Des difficultés liées au milieu de culture (énormément de lipides) ? Il faut rechercher des conditions

adéquates pour améliorer la proportion de métabolites bactériens

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-4 -2 0 2 4 6 8

Log2 Fold Change

0

1

2

3

4

5

-Lo

g1

0 P

-va

lue

Volcano plot généré par Compound Discoverer pour la recherche de biomarqueurs

Groupe des acyl-homosérine lactones de Maribius sp. déterminé par le GNPS. En bleu : AHLs standards

Notez que la majorité des masses dans le cluster

sont paires.

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Remerciements

Claudie Barnier Laurent Urios Pierre Sivadon Florence Hakil Fanny Soula

Didier STIEN Raphaël LAMI

Laurent INTERGLIA Philippe LEBARON

PEPS ExoMOD