Thèse Analyse des Mécanismes Moléculaires Impliqués dans la Dépendance au Taux de Croissance de la Sensibilité d'Escherichia Coli aux Endommagement de l'Adn H/F

Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health

Établissement : Université Paris-Saclay GS Life Sciences and Health
École doctorale : Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
Laboratoire de recherche : LBPA - Laboratoire de Biologie et Pharmacologie Appliquée
Direction de la thèse : Meriem EL KAROUI ORCID 000000032522613X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-23T23:59:59

Notre société est actuellement confrontée à un problème important : l'augmentation de la résistance aux antibiotiques. Le développement de nouveaux antibiotiques ayant été très limité ces dernières années, il est urgent d'élaborer de nouvelles stratégies pour compléter les thérapies actuellement disponibles, accroître l'efficacité des antibiotiques déjà disponibles et identifier de nouvelles cibles.
De manière intrigante, la relation entre la physiologie cellulaire bactérienne et la sensibilité aux antibiotiques reste mal comprise aujourd'hui. Si les bactéries qui ne se développent pas du tout sont généralement tolérantes aux antibiotiques, l'impact des variations du taux de croissance sur la sensibilité aux antibiotiques reste beaucoup moins bien compris. Dans la nature, les taux de croissance bactérienne varient considérablement d'un environnement à l'autre en fonction de la disponibilité en nutriments. Cela est pertinent pour comprendre les infections : par exemple, chez un même hôte, les cellules d'Escherichia coli présentes dans l'intestin se développent souvent relativement lentement, tandis que dans les voies urinaires, elles croissent beaucoup plus rapidement, ce qui peut entraîner des différences en termes de sensibilité aux antibiotiques et d'efficacité du traitement.
Une classe importante d'antibiotiques, souvent utilisés en clinique, cible les bactéries en induisant des cassures à double brin (Double-Strand Breaks, DSB) de l'ADN. Il s'agit des fluoroquinolones telles que la ciprofloxacine. Nous avons récemment montré que la sensibilité à cet agent est plus élevée dans les cellules à croissance rapide ce qui est peut-être lié à des taux de réplication plus élevés entraînant davantage de DSB. Cependant, chez les bactéries à croissance rapide, la probabilité de réparation des DSB de l'ADN par recombinaison homologue est également plus élevée, car elles utilisent un mode de réplication à fourches multiples. Ainsi, nous avons montré que ces bactéries induisent une réponse aux dommages de l'ADN plus faible que celle des bactéries à croissance lente, ce qui suggère des dommages globalement moins importants. Ces effets opposés doivent donc être analysés sur le plan mécanistique.
L'objectif du projet est de caractériser, la sensibilité des cellules d'E. coli aux agents endommageant l'ADN en fonction de leur taux de croissance et d'autres paramètres physiologiques. Nous utiliserons des fusions fluorescentes à des protéines clés de la réparation de l'ADN, telles que RecA, pour mesurer en temps réel le processus de réparation . Ces fusions sont déjà établies et fonctionnelles. Les mesures seront effectuées au niveau de la population et de la cellule unique à l'aide de dispositifs microfluidiques et de microscopie quantitative. Nous utiliserons des algorithmes d'apprentissage profond déjà établis dans l'équipe pour analyser les images et extraire des paramètres quantitatifs à partir des données expérimentales.

Notre société est actuellement confrontée à un problème important : l'augmentation de la résistance aux antibiotiques. Le développement de nouveaux antibiotiques ayant été très limité ces dernières années, il est urgent d'élaborer de nouvelles stratégies pour compléter les thérapies actuelles, accroître l'efficacité des antibiotiques déjà disponibles et identifier de nouvelles cibles.
De manière intrigante, la relation entre la physiologie cellulaire bactérienne et la sensibilité aux antibiotiques reste mal comprise aujourd'hui. Si les bactéries qui ne se développent pas du tout sont généralement tolérantes aux antibiotiques, l'impact des variations du taux de croissance sur la sensibilité aux antibiotiques reste beaucoup moins bien compris. Dans la nature, les taux de croissance bactérienne varient considérablement d'un environnement à l'autre en fonction de la disponibilité en nutriments. Cela est pertinent pour comprendre les infections : par exemple, chez un même hôte, les cellules d'Escherichia coli présentes dans l'intestin se développent souvent relativement lentement, tandis que dans les voies urinaires, elles croissent beaucoup plus rapidement, ce qui peut entraîner des différences en termes de sensibilité aux antibiotiques et d'efficacité du traitement.
Une classe importante d'antibiotiques, souvent utilisés en clinique, cible les bactéries en induisant des cassures à double brin (Double-Strand Breaks, DSB) de l'ADN. Il s'agit des fluoroquinolones tels que la ciprofloxacine. Nous avons récemment montré que la sensibilité à cet agent est plus élevée dans les cellules à croissance rapide, ce qui est peut-être lié à des taux de réplication plus élevés entraînant davantage de DSB. Cependant, chez les bactéries à croissance rapide, la probabilité de réparation des DSB de l'ADN par recombinaison homologue est également plus élevée, car elles utilisent un mode de réplication à fourches multiples. Ainsi, nous avons montré que ces bactéries induisent une réponse aux dommages de l'ADN plus faible que celle des bactéries à croissance lente, ce qui suggère des dommages globalement moins importants. Ces effets opposés doivent donc être analysés sur le plan mécanistique.
L'objectif du projet est de caractériser la sensibilité des cellules d'E. coli aux agents endommageant l'ADN en fonction de leur taux de croissance et d'autres paramètres physiologiques. Nous utiliserons des fusions fluorescentes à des protéines clés de réparation de l'ADN, telles que RecA, pour mesurer le processus de réparation en temps réel. Ces fusions sont déjà établies et fonctionnelles. Les mesures seront effectuées au niveau de la population et de la cellule unique à l'aide de dispositifs microfluidiques et de microscopie quantitative. Nous utiliserons des algorithmes d'apprentissage profond déjà établis dans l'équipe pour analyser les images et extraire des paramètres quantitatifs à partir des données expérimentales.
Our society is currently facing an important problem with the rise of multiple antibiotic resistant bacterial strains. As the development of new antibiotics has stalled in recent years, new strategies are urgently needed to supplement current available therapies. This involves increasing the efficiency of existing antibiotics and identifying new targets.

Intriguingly, the relationship between bacterial cellular physiology and antibiotic susceptibility remains poorly understood. While bacteria that do not grow at all are generally tolerant to antibiotics, how changes in growth rate impact antibiotic susceptibility is much less well understood. In nature, bacterial growth rates vary widely across environments because of nutrient availability. This matters in infection: for example within the same host, E. coli cells in the gut often grow relatively slowly, whereas in the urinary tract they reach a much faster growth rate, leading to potential differences in antibiotic susceptibility and treatment outcomes.
An important class of clinically relevant antibiotics, such as the fluoroquinolone ciprofloxacin, targets bacteria by inducing DNA double-strand breaks (DSBs). We have recently shown that susceptibility to this agent is higher in fast-growing cells, possibly linked to higher replication rates leading to more DSBs. However, in fast-growing bacteria, the probability of repairing DNA DSBs by homologous recombination is also higher as they undergo multifork replication. Indeed, we have shown that these bacteria induce the DNA damage response to a lower extent than the slow-growing ones, suggesting less overall damage. These opposing effects, therefore, need to be analysed mechanistically.

The objective of the project is to characterise how the susceptibility of Escherichia coli cells to DNA-damaging agents depends on their growth rate and other physiological parameters. We will use established functional fluorescent fusions to key DNA repair proteins, such as RecA, to measure the repair process in real time. Measurement will be performed at the population and single-cell level using custom microfluidics devices and state-of-the-art quantitative microscopy. We will use already established deep-learning algorithms to analyse the images and extract quantitative parameters from the experimental data.

Plusieurs objectifs ont été définis : (1) établir des conditions de croissance avec différentes combinaisons de nutriments en population et en microfluidique (à l'aide d'une « mother machine») afin de quantifier la réponse aux dommages à l'ADN et l'activité des protéines clés du processus de réparation, telles que RecA, lorsque les bactéries sont exposées à la ciprofloxacine (2) Utiliser des mutants de la protéine DnaA, appelés dnaA(Sx), qui perturbent l'initiation de la réplication de l'ADN mais avec un impact minimal sur les taux de croissance afin de vérifier si la réplication est effectivement un paramètre clé dans la susceptibilité à la formation de DSB. (3) Tester comment des moyens orthogonaux de modulation du taux de croissance, tels que la perturbation de la synthèse des protéines à l'aide de faibles doses d'antibiotiques ciblant les ribosomes, affectent la réparation de l'ADN et la survie à la ciprofloxacine.

Several objectives have been defined: (1) establish growth conditions with various nutrient combinations in population and microfluidics (using a mother machine) to quantify the DNA damage response and the activity of key proteins of the repair process such as RecA when the bacteria are exposed to ciprofloxacin(2) Use mutants in the DnaA protein, called dnaA(Sx)) that perturb initiation of DNA replication with minimum impact on growth rates to test whether replication is indeed a key parameter in susceptibility to DSB formation. (3) Test how orthogonal ways of modulating growth rate, such as perturbing protein synthesis using low levels of ribosome-targeting antibiotics, affect DNA repair and survival to ciprofloxacin.

Le projet combinera la microbiologie moléculaire dans des souches d'E. coli non pathogènes avec la microfluidique (préparation de puces à base de PDMS), la microscopie quantitative (épifluorescence) et l'analyse d'images (apprentissage profond pour la segmentation et le suivi des cellules bactériennes individuelles). Vous serez formé(e) dans un environnement très interdisciplinaire, à l'interface de la biologie et des méthodes quantitatives.

The project will combine molecular microbiology of non-pathogenic E. coli with microfluidics (preparation of PDMS-based chips), quantitative microscopy (epifluorescence) and image analysis (deep learning for segmentation and tracking of individual bacterial cells). You will gain training in a very inter-disciplinary environment at the interface between biology and quantitative methods.