Impact of eukaryotic plasma membrane lipid composition on bacterial adhesion via bacterial flagellum interaction : key parameter determination at molecular scale

Les entérobactéries pathogènes sont responsables d’épidémies majeures souvent d’origine alimentaire. Parmi elles, Escherichia coli entérohémorragique (EHEC) O157:H7 est connue pour conduire à de graves symptômes, tels que le syndrome hémolytique et urémique (HUS). L’adhésion sur un tissu, qui est la première étape initiant la colonisation, est orchestrée par des organites et protéines situés sur la paroi cellulaire bactérienne, en particulier le flagelle. Ce travail a pour objectif d’étudier l’interaction du flagelle bactérien avec les lipides de la membrane dans un système biologiquement pertinent, à savoir les liposomes unilamellaires géants (GUV, pour Giant Unilamellar Vesicles). Les GUVs sont largement utilisées en tant que modèle membranaire, car elles possèdent une taille et une courbure similaire à la membrane plasmique des cellules eucaryotes. Une meilleure adhésion bactérienne en présence du flagelle a été confirmée sur GUVs par microscopie, puis de manière précise par un essai développé dans le cadre de ce travail, permettant de quantifier l’adhésion bactérienne sur liposomes. En faisant varier la nature des têtes polaires, des chaînes carbonées et la courbure des liposomes, l’ordre lipidique s’est avéré être un paramètre clé de l’adhésion. Ceci a été vérifié à l’échelle cellulaire par l’incorporation de lipides polyinsaturés dans la membrane de cellules HT29, sur lesquelles la souche sauvage O157:H7 adhère significativement plus que son mutant non-flagellé. L’hydrophobicité du flagelle a été identifiée comme un facteur important pour l’interaction avec la membrane, grâce à une modification post-traductionnelle (méthylation) de la flagelline, composante majeure du flagelle. De concert avec l’ordre lipidique, la fluidité membranaire entraîne une adhésion bactérienne hétérogène sur notre modèle mimant la ségrégation de phases, qui existe potentiellement sur la membrane plasmique. Il en résulte que le flagelle est un avantage pour conquérir les potentiels radeaux lipidiques. A l’issue de ce travail, un premier mécanisme d’adhésion du flagelle bactérien sur la bicouche lipidique a été proposé et met en évidence les paramètres clés, mais aussi de nouvelles interrogations, notamment l’existence d’une interaction avec le cytosquelette. Une connaissance précise de ce mécanisme représente une étape vers la compréhension de la virulence des pathogènes, qui est indispensable pour développer des solutions alternatives aux antibiotiques.Animal pathogenic enterobacteria are major source of foodborne outbreaks. Among them, Enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC) O157:H7 is known to lead to severe diseases like Haemolytic Uremic Syndrome (HUS). The adhesion on tissues, which is the first step initiating the colonisation, is mediated by cell surface proteins and organelles, including flagellum. This present work aims to study the interaction between the bacterial flagellum with lipid membrane into a relevant biological model, the Giant Unilamellar Vesicles (GUVs). GUVs are widely used as a membrane model, because of their similar size and curvature to the cell plasma membrane. A bacterial adhesion enhanced in the presence of flagella was confirmed on GUVs by microscopy, and precisely, by a newly developed assay for this work, allowing bacterial adhesion quantification on liposomes. By testing different head groups, the nature of the fatty acid chains or the liposome curvature, the lipid packing was found to be a key parameter for the adhesion. To test this, the incorporation of polyunsaturated lipids on HT29 cell line was used. The WT strain of EHEC O157:H7 was significantly more adherent than its non-flagellated mutant. The hydrophobicity was identified to influence the flagellum interaction with the lipid bilayer, by using a post-traductionnal modification (methylation) of the flagellin, the flagellum main component. With lipid packing, membrane fluidity leads to a heterogeneous bacterial adhesion on our models, mimicking the phase segregation, potentially existing on plasma membrane. It results that the flagellum is advantageous to reach potential lipid rafts. At the end of this work, a first mechanism of bacterial flagellum adhesion on lipid bilayer has been proposed and highlights the key parameters, but as well new questionings, especially the existence of an interaction with the cytoskeleton. A future precise knowledge of this mechanism represents a step toward understanding pathogen virulence, which is mandatory to develop alternative solutions to antibiotics