Nouvelles approches pour déterminer l'impact des stratégies bactériennes pour surmonter l'accumulation d'antibiotiques // Cutting edge approaches to determine the impact of bacterial strategies to overcome the effects of antibiotic accumulation

L'évolution de la résistance aux antimicrobiens (RAM) présente un défi mondial en terme de santé publique, avec environ 5 millions de décès associés à la résistance aux antibiotiques (ATBs) chaque année dans le monde.(1) La lutte contre la RAM nécessite une approche holistique avec des mesures de prévention et de contrôle des infections, une utilisation prudente des ATBs, le développement de nouveaux ATBs, ainsi que la compréhension des trajectoires évolutives des bactéries lors de l'exposition aux ATBs.(2)

Pour qu'un ATB soit efficace, il doit s'accumuler à proximité de sa cible bactérienne.(3) Cependant, les bactéries peuvent développer des stratégies pour réduire la concentration d'ATBs au site d'action, telle que la modification du type et l'abondance des lipides et des protéines membranaires afin de diminuer la quantité d'ATBs pouvant pénétrer ou être extrudés. De plus, les bactéries peuvent modifier et/ou altérer l'abondance des protéines ciblées par un ATB, comme les protéines liant la pénicilline dans le cas des ß-lactamines. Enfin, les bactéries peuvent produire des enzymes qui inactivent les d'ATBs, telles que les ß-lactamases qui dégradent les ß-lactamines.(4)

Dans ce projet, l'étudiant utilisera des isolats cliniques ainsi que des mutants isogéniques de Escherichia coli et Klebsiella pneumoniae présents dans le laboratoire du Dr. Thierry Naas (5) en combinaison avec la microscopie microfluidique et des dérivés d'ATBs fluorescents dans le laboratoire du Prof. Stefano Pagliara (6), pour découpler la contribution des différentes stratégies développées par les bactéries pour diminuer l'accumulation et l'efficacité des ATBs. En utilisant les connaissances dérivées du séquençage génomique précédent d'isolats cliniques (5), l'étudiant mesurera et comparera l'accumulation et l'efficacité des ATBs dans les isolats avec : une composition lipidique membranaire modifiée ; compositions de protéines membranaires modifiées ; cible cellulaire altérée de l'ATB ; sécrétion accrue d'enzymes qui inactivent l'ATB. Après avoir complété ce travail de base, l'étudiant évaluera la contribution de chaque stratégie sur l'accumulation et l'efficacité des ATBs dans des isolats isogéniques présentant une ou simultanément de multiples mutations, en déterminant si ces stratégies agissent de manière synergique ou antagoniste. Une attention particulière sera accordée aux bactéries présentant une résistance à un antibiotique spécifique malgré l'absence de mutations connues pouvant expliquer le phénotype résistant.

Ces efforts seront complétés par l'utilisation de simulations de dynamique moléculaire dans le laboratoire du Dr Bogdan Iorga (7) en combinaison avec la microscopie cryoélectronique (cryoEM) dans le laboratoire du Prof. Vicki Gold (8). Cette combinaison unique d'expertise permettra à l'étudiant de déterminer comment les variations structurelles des principales protéines bactériennes impliquées dans l'influx, l'efflux ou la liaison des ATBs affectent l'accumulation et l'efficacité des ATBs. Ces protéines seront sélectionnées en utilisant les connaissances dérivées du séquençage antérieur du génome des isolats cliniques bactériens utilisés dans ce projet ainsi que les nouvelles données générées à partir des mesures d'accumulation d'ATBs décrites ci-dessus.

Prises ensemble, ces nouvelles données nous permettront d'établir l'importance relative des différentes stratégies développées par les bactéries pour échapper à l'accumulation d'ATBs, guidant ainsi le développement d'ATBs plus robustes et plus efficaces. Au cours de ce projet, l'étudiant acquerra des compétences de pointe et interdisciplinaire, allant de la microscopie avancée à la microbiologie clinique et aux simulations moléculaires, les préparant ainsi à une carrière réussie dans le milieu universitaire ou industriel.
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The rise of antimicrobial resistance (AMR) poses a severe global health challenge, responsible for an estimated 5 million deaths annually worldwide.(1) Addressing the threat of AMR requires a holistic approach including infection prevention and control measures, prudent antimicrobial use, the development of novel antibiotics, as well as understanding bacterial evolutionary trajectories during antibiotic exposure.(2)

In order for an antibiotic to be effective, it must accumulate at growth-inhibitory levels in the proximity of its cellular target within the bacterium.(3) However, bacteria can evolve different strategies to reduce the intracellular concentration of antibiotics. For example, bacteria can change the type and abundance of membrane lipids and proteins to decrease the amount of antibiotic that can enter or be extruded to the environment. Moreover, bacteria can modify and/or alter the abundance of the proteins targeted by antibiotics, such as penicillin binding proteins in the case of beta-lactam antibiotics. Additionally, they can produce enzymes such as beta-lactamases, which inactivate antibiotics by breaking down beta-lactams.(4)

In this project, the student will use selected genome-sequenced clinical isolates of Escherichia coli and Klebsiella pneumoniae in Prof Thierry Naas' lab (5), in combination with microfluidics-based microscopy and fluorescent antibiotic derivatives in Prof Stefano Pagliara's lab (6). This unique combination of expertise will allow the student to decouple the contribution of the different strategies evolved by bacteria to decrease antibiotic accumulation and efficacy. Using the knowledge derived from previous genome sequencing of clinical isolates (5), the student will measure and compare antibiotic accumulation and efficacy in isolates with: altered membrane lipid composition; altered membrane protein compositions; altered cellular target of the antibiotic; enhanced secretion of enzymes that inactivate the antibiotic. After completing this fundamental groundwork, the student will assess the contribution of each strategy on antibiotic accumulation and efficacy in isolates that simultaneously present multiple mutations, determining whether these strategies act synergistically or antagonistically. Particular attention will be given to bacteria exhibiting resistance to a specific antibiotic despite the absence of known mutations that could explain the resistant phenotype.

These efforts will be complemented by using molecular dynamics simulations in Dr Bogdan Iorga's lab (7) in combination with cryo electron microscopy (cryoEM) in Prof Vicki Gold's lab (8). This unique combination of expertise will allow the student to determine how structural variations in key bacterial proteins involved in antibiotic influx, efflux or binding affect antibiotic accumulation and efficacy. Such proteins will be selected using knowledge derived from previous genome sequencing of the bacterial clinical isolates employed in this project, as well as the new data generated from the antibiotic accumulation measurements described above.

Taken together, these new data will allow us to establish the importance of different strategies bacteria evolve to evade antibiotic accumulation, ultimately guiding the development of more robust and effective antibiotic treatments. During this project the student will acquire a highly interdisciplinary set of cutting-edge skills, spanning from advanced microscopy to clinical microbiology and molecular simulations, thus preparing them for a successful career in academia or industry.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Programme UPSaclay-Exeter (ADI)

Université Paris-Saclay GS Santé et médicaments

569 Innovation thérapeutique : du fondamental à l'appliqué

Knowledge in microbiology, antimicrobial resistance and in molecular biology, Motivation to learn highly interdisciplinary set of cutting-edge skills, spanning from advanced microscopy to clinical microbiology and molecular simulations in two countries.
Knowledge in microbiology, antimicrobial resistance and in molecular biology, Motivation to learn highly interdisciplinary set of cutting-edge skills, spanning from advanced microscopy to clinical microbiology and molecular simulations in two countries.