Modes and mechanisms of environmental survival of the bacterium Francisella tularensis ssp. holarctica
Modes et mécanismes de survie environnementale des bactéries Francisella tularensis ssp. holarctica
Résumé
Tularemia is a zoonosis caused by the Gram-negative bacterium Francisella tularensis. Two subspecies are virulent to humans: F. tularensis ssp. tularensis, found only in North America, and F. tularensis ssp. holarctica, found throughout the Northern Hemisphere and in Australia. In particular, it is possible to be contaminated by aerosols containing the bacterium, which causes pulmonary infections. This possibility, as well as the high pathogenicity of this bacterium for humans, classifies it as a potential bioterrorism agent. In order to control an accidental spread of F. tularensis, it is necessary to understand its survival mechanisms in the environment. The terrestrial life cycle of F. tularensis ssp. holarctica is relatively well characterized. In contrast, the aquatic life cycle of this subspecies is still poorly characterized. Sporadic human infections and epidemics of aquatic origin occur after aquatic activities, ingestion of contaminated water or mosquito bites. A few studies have reported the persistence of F. tularensis for several weeks in the environment, without identifying the mechanisms of this survival.The objective of this thesis work was to characterize the persistence of F. tularensis ssp. holarctica in an aquatic environment. Two field studies conducted in 2019 and 2020 demonstrated the presence of F. tularensis DNA in environmental bodies of water in France. Across both campaigns, 9.2% of the 87 water samples analyzed contained DNA from the tularemia-causing bacterium. Although the presence of DNA is not a proof of aquatic persistence of the bacterium in an infectious form, this work questions the survival of F. tularensis in environmental water, and its responsibility in some cases of tularemia.In vitro models of environmental survival of a virulent strain of F. tularensis ssp. holarctica demonstrated that this bacterium was able to enter a dormant state called the viable but non-cultivable (VBNC) state. In this state, the bacteria were no longer able to grows in a suitable rich environment, but remained alive. This state allowed the bacteria to persist for more than 18 months in the water, evading conventional detection tools based on bacterial culture. Water temperature appears to be a critical factor for the survival of F. tularensis, as the VBNC state was only induced in cool water (4 and 18°C), whereas warmer water (37°C) was lethal to the bacteria within a few days. Although the VBNC state is a means of resisting environmental stresses, bacteria in the VBNC state remained temperature sensitive, which may explain the geographic distribution of tularemia and bacterial persistence limited to Northern Hemisphere countries.A proteomic characterization of F. tularensis in the VBNC state was initiated to finish this thesis work. Remodeling of the bacterial envelope and regulation of virulence factors seems to take place in this dormant state. A reduction of proteins synthesizing peptidoglycan, type IV pili, type VI secretion system and O-antigen was observed.The complementary results of this work allowed us to propose an update of the aquatic life cycle of F. tularensis ssp. holarctica. This thesis work demonstrates that F. tularensis ssp. holarctica is capable of surviving several months in an aquatic environment in the VBNC state raising new questions about the resistance and virulence of these bacteria in the VBNC state in the environment that will need to be investigated in the future.
La tularémie est une zoonose causée par la bactérie à Gram-négatif Francisella tularensis. Deux sous-espèces sont virulentes pour l’humain : F. tularensis ssp. tularensis, présente uniquement en Amérique du Nord et F. tularensis ssp. holarctica, présente dans tout l’hémisphère Nord et en Australie. Il existe des contaminations d’origine environnementale notamment par des aérosols contenant la bactérie, à l’origine d’infections pulmonaires. Cette possibilité ainsi que la haute pathogénicité de cette bactérie pour l’humain, la classe parmi les agents potentiels de bioterrorisme. Afin de maîtriser une dispersion accidentelle de F. tularensis, il est nécessaire de comprendre ses mécanismes de survie dans l’environnement. Le cycle de vie terrestre de F. tularensis ssp. holarctica est relativement bien caractérisé. A l’inverse, le cycle de vie aquatique de cette sous-espèce est encore peu caractérisé. Des contaminations humaines sporadiques et des épidémies d’origine aquatique existent après des activités aquatiques, l’ingestion d’eau contaminée ou des piqures de moustiques. Quelques études ont rapporté la persistance de F. tularensis pendant plusieurs semaines dans l’environnement, sans que les mécanismes de cette survie ne soient identifiés.L’objectif de ce travail de thèse était de caractériser la persistance de F. tularensis ssp. holarctica dans un environnement aquatique. Deux études de terrain réalisées en 2019 et en 2020 ont démontré la présence d’ADN de F. tularensis dans des étendues d’eau environnementales en France. Sur l’ensemble des deux campagnes, 9,2 % des 87 échantillons d’eau analysés contenaient de l’ADN de la bactérie responsable de la tularémie. Bien que la présence d’ADN ne soit pas une preuve de la persistance aquatique de la bactérie sous une forme infectieuse, ce travail questionne sur la survie à long terme de F. tularensis dans l’eau environnementale, et sur sa responsabilité dans certains cas de tularémie.Des modèles in vitro de survie environnementale d’une souche virulente de F. tularensis ssp. holarctica ont permis de démontrer que cette bactérie était capable de passer dans un état de dormance appelé état viable mais non-cultivable (VBNC). Dans cet état, les bactéries, n’étaient plus capables de pousser en milieu riche adapté, mais restaient vivantes. Cet état a permis aux bactéries de persister plus de 18 mois dans l’eau en échappant aux outils de détections classiques basés sur la culture bactérienne. La température de l’eau semble être un facteur essentiel pour la survie de F. tularensis, car l’état VBNC n’a été induit que dans de l’eau fraîche (4 et 18°C), alors que de l’eau plus chaude (37°C) était létale pour les bactéries en quelques jours. Bien que l’état VBNC soit un moyen de résister aux stress environnementaux, les bactéries à l’état VBNC restaient sensibles à la température, ce qui pourrait expliquer la répartition géographique de la tularémie et la persistance bactérienne limitées aux pays de l’hémisphère Nord.Une caractérisation protéomique de F. tularensis à l’état VBNC a été initiée pour finir ce travail de thèse. Un remodelage de l’enveloppe bactérienne et une régulation des facteurs de virulence semble s’opérer dans cet état de dormance. Une réduction des protéines synthétisant le peptidoglycane, les pili de type IV, le système de sécrétion de type VI et l’antigène-O a été observée.Les résultats complémentaires de ces travaux ont permis de proposer une actualisation du cycle de vie aquatique de F. tularensis ssp. holarctica. Ce travail de thèse a démontré que F. tularensis ssp. holarctica est capable de survivre plusieurs mois dans un environnement aquatique à l’état VBNC soulevant de nouvelles questions sur la résistance et la virulence de ces bactéries à l’état VBNC dans l’environnement qui devront faire l’objet de futures investigations.
Origine : Version validée par le jury (STAR)