Antibiotic resilience of bacterial biofilms : concepts, numerical modeling and experimentations

Les systèmes bactériens sont complexes et adaptatifs. Soumis à des perturbations, telles qu’un traitement antibiotique, ils survivent, se régénèrent et évoluent. Ceci est d’autant plus vrai pour les biofilms, capables de surmonter des traitements létaux à des bactéries planctoniques. La capacité des systèmes à retrouver leur équilibre initial, certaines fonctions ou compositions après un choc est appelée résilience. La résilience est souvent considérée comme complémentaire à la résistance en écologie. Pourtant, la résilience aux antibiotiques reçoit peu de considération en comparaison de la résistance aux antibiotiques en bactériologie. L’une des raisons de ce désintérêt est que ce concept est souvent mal défini et ambigu. Dans cette thèse, nous proposons tout d’abord une base conceptuelle de la résilience aux antibiotiques. A partir de l’analyse de différentes définitions existantes de la résilience, nous fournissons une démarche pour formaliser le concept de résilience dans le contexte d’une population bactérienne soumise à des traitements antibiotiques. De cette première analyse, le mécanisme biologique de persistance bactérienne est ressorti comme important dans la résilience aux antibiotiques. Ce phénomène repose sur la formation de cellules tolérantes aux antibiotiques, les persisters, dont la formation est influencée par les conditions environnementales. Afin de relier la formation des persisters aux conditions environnementales, nous avons développé des modèles mathématiques de transition phénotypique entre cellules sensibles et persisters que nous avons calibrés et testés à l’aide de données expérimentales. Enfin, nous avons étudié l’effet de la persistance bactérienne sur la résilience aux antibiotiques des biofilms. Pour cela, nous avons développé un modèle individu-centré de biofilm intégrant des transitions entre cellules sensibles et persisters. Différentes stratégies de transition ont été reliées à la capacité des biofilms à croître, survivre et se régénérer après un choc antibiotique. La mise en place d’expériences capables de fournir des données à comparer aux simulations est proposée dans la discussion de cette thèse. Cette thèse contribue à la clarification du concept de résilience aux antibiotiques et à la compréhension du phénomène de persistance bactérienne dans les biofilms. Elle ouvre des perspectives sur l’utilisation du concept de résilience en bactériologie clinique et souligne l’importance de l’hétérogénéité des populations bactériennes dans leur capacité à confronter les perturbations et évoluer.Bacterial systems are complex and adaptive. When faced with disturbances, such as antibiotic treatments, they survive, recover and evolve. This is particularly true for biofilms, which survive treatments that planktonic cells cannot overcome. The capacity of systems to recover their initial state, some of their functions or composition after a disturbance is called resilience. The resilience concept is often considered complementary to resistance in ecology. However, antibiotic resilience has received little attention compared to antibiotic resistance. One reason of this lack of interest comes from the fact that the resilience concept is often poorly defined and ambiguous. In this thesis, we firstly developed a conceptual framework of antibiotic resilience and applied this framework to the case of a bacterial population faced with antibiotics. This analysis highlighted the importance of the biological mechanism of bacterial persistence. This phenomenon is based on the formation of sub-populations of antibiotic tolerant cells, the persisters, which is influenced by environmental conditions. To relate persister formation to environmental conditions, we developed mathematical models of phenotypic switches between susceptible and persister cells and calibrated and tested them with experimental data. Lastly, we studied the influence of bacterial persistence on biofilm antibiotic resilience. For this purpose, we developed an individual-based model of biofilm with phenotypic switches between susceptible and persister cells. Different strategies of phenotypic switches were related to the dynamics of growth, survival and recovery of bacterial biofilms faced with antibiotic shocks. The setting up of experimentations to obtain data to compare to simulations is presented in the discussion of this thesis. Globally, this thesis contributes to the clarification of the concept of antibiotic resilience and to the understanding of bacterial persistence in biofilms. It gives new perspectives on the use of the resilience concept in clinical bacteriology and emphasizes the importance of the heterogeneity of bacterial populations in their capacity to face disturbances and evolve