Effects of silica nanoparticles on the physicochemical surface properties of planktonic bacteria and on the architecture of biofilms : analysis by electrophoresis and holotomography
Effets de nanoparticules de silice sur la physicochimie de surface de bactéries planctoniques et sur l’architecture des biofilms : analyse par électrophorèse et holotomographie
Résumé
The release of manufactured nanoparticles (NPs) into the environment has profound repercussions on the physico-chemical equilibria operating in natural aquatic media. In order to appreciate these repercussions, it is critical to address, among other things, the interaction mechanisms between NPs and the biotic compartment of ecosystems, in particular bacteria in planktonic state or organized in a biofilm. In this context, this thesis work was devoted to the understanding of the physico-chemical interactions between silica nanoparticles with -NH2 or -COOH functionalized surface, and several mutants of a bacterial model system (Escherichia coli) selectively displaying different types of surface appendages at their periphery (YeeJ adhesive proteins or pili-F protein filaments). The use of electrophoresis applied to bacteria-NPs binary suspensions made it possible to detect (i) the electrostatic signatures of the first stages of interactions, (ii) the changes in the electro-hydrodynamic characteristics of both bacteria and NPs due to membrane damage and acquisition of bio-corona by NPs following the release of cellular compounds, and (iii) the strong dependence of the electrokinetic properties of both cells and nanoparticles on the nature of the parietal biostructure, on NPs concentration and on solution pH. The use of atomic force microscopy further allowed the evaluation of cells morphology depending on cells exposure conditions, as well as their surface roughness, these results corroborating the conclusions derived from electrokinetic study. The second part of this thesis, exploratory in nature, concerns the analysis by a 3D imaging technique (holotomography, no sample labelling required) of the structure of bacterial biofilms generated in the presence of NPs. A method for exploiting holotomographic data is proposed and leads to the determination of different proxies characterizing the structure of the biofilm, in particular its thickness, its density profile, or the identification of ‘chimneys’ at the biofilm/solution interface. The capabilities of the method to evaluate these physicochemical fingerprints are tested on a biofilm generated from bacteria decorated with YeeJ proteins. The impacts of silica nanoparticles on the structure of this biofilm are then discussed according to the nature of their functional surface groups (-NH2 or -COOH).
La dissémination de nanoparticules (NPs) manufacturées dans l’environnement entraine de profondes répercussions sur les équilibres physico-chimiques des milieux aquatiques. Afin de comprendre ces répercussions, il est essentiel d’analyser, entre autres choses, les mécanismes d’interactions des NPs avec le compartiment biotique des écosystèmes, en particulier avec les bactéries à l’état planctonique ou organisées en un consortium appelé biofilm. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont été consacrés à la compréhension des interactions physico-chimiques entre des NPs de silice présentant une surface fonctionnalisée par des groupements terminaux -NH2 ou -COOH, et plusieurs mutants d’un système modèle bactérien (Escherichia coli) arborant de manière sélective différents types d’appendices de surface (protéines adhésives de type YeeJ ou filaments protéiques pili-F). L’utilisation de l’électrophorèse appliquée à des suspensions binaires bactéries-NPs a permis de détecter (i) les signatures électrostatiques des premiers stades d’interactions, (ii) les changements des caractéristiques électro-hydrodynamiques des bactéries et des NPs dus aux modifications de la surface des bactéries et à l’acquisition de bio-couronne par les NPs suite au relargage de composés cellulaires, et (iii) une forte dépendance des propriétés électrocinétiques des cellules et nanoparticules à la concentration en NPs et au pH de la solution, et ce, en fonction de la nature des biostructures pariétales. La microscopie à force atomique a permis d’évaluer la morphologie des cellules selon leurs conditions d’exposition aux NPs, ainsi que leur rugosité de surface, ces résultats corroborant les conclusions dérivées des études électrocinétiques. Le deuxième volet de cette thèse, plus exploratoire, concerne l’analyse, par une technique d'imagerie 3D sans marquage (holotomographie) de la structure de biofilms bactériens générés en présence de NPs. Une méthode d’exploitation des données holotomographiques est proposée pour la détermination de différents proxys caractérisant la structure du biofilm, en particulier son épaisseur, son profil de densité, ou l’identification de ‘cheminées’ à l’interface biofilm/solution. Les capacités de la méthode à discerner ces identifiants physico-chimiques ont été testées sur un biofilm généré à partir de bactéries décorées de protéines YeeJ. L’impact des NPs de silice sur la structure de ce biofilm a alors été discuté en fonction de la nature de leurs groupements fonctionnels de surface (-NH2 ou -COOH).
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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