Etude de l’Inhibition de la croissance bactérienne par voie électromagnétique et application à un procédé de décontamination écologique

         Stage de PFE ou de Master – 2021

Titre : Etude de l’Inhibition de la croissance bactérienne par voie électromagnétique et application à un procédé de décontamination écologique

Mots-clés :
Electromagnétisme, décontamination microbienne, mécanismes d’inhibition de croissance, modélisation numérique

Lieux :
– Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (IMEP-LAHC) Minatec – Grenoble – 3, parvis Louis Néel, BP 257 38 016 GRENOBLE Cedex 1
L’Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique – Laboratoire d’Hyperfréquences et de Caractérisation , unité mixte de recherche (CNRS/Grenoble INP/UGA/USMB) dont les sujets de recherche concernent la micro et la nanoélectronique, la photonique, les microondes. L’équipe sera composée de P. Xavier, PR de l’UGA et de D. Rauly, MCF en charge des aspects modélisation numérique. E. Chamberod, MCF en 61ème section de l’IUT1 de Grenoble, apportera en outre son expertise en instrumentation.

– Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE, UGA-CNRS-IRD-G-INP)
70 rue de la Physique, Bâtiment OSUG B , BP 53 38 041 GRENOBLE Cedex 09
L’Institut des Géosciences de l’Environnement (fusion du LTHE et du LGGE au 01/01/2017,  Unité Mixte de recherche (CNRS/Grenoble-INP/IRD/UGA) de 220 personnes dont les activités de recherche concernent les interrelations entre la variabilité du climat, le cycle de l’eau et l’environnement. L’IGE est l’un des laboratoires phares au niveau français en hydrologie. L’équipe sera composée d’un DR CNRS (J.
Martins) et d’un AI CNRS en microbiologie et biochimie. Ils ont des compétences reconnues dans le domaine de la microbiologie et la biogéochimie, dans le champ des interactions entre microorganismes, les milieux naturels (sols et eaux) et les polluants minéraux et organiques. L’équipe a accès à
des moyens d’études microbiologiques dans les conditions extrêmes (Plateau MOME, Envirhônalp).

Encadrants :
XAVIER Pascal, pascal.xavier@univ-grenoble-alpes.fr, 04.56.52.95.69
RAULY Dominique, dominique.rauly@univ-grenoble-alpes.fr
MARTINS Jean, jean.martins@univ-grenoble-alpes.fr, 04.76.63.56.04
CHAMBEROD Eric, eric.chamberod@univ-grenoble-alpes.fr

Profil du candidat :
Bac+5 ou Master en ingénierie biomédicale ou biophysique.

1- Contexte scientifique et objectifs :
Dans la bataille contre le développement de microorganismes (pathogènes ou non) dans des contextes sanitaires, agroalimentaires ou industriels, outre le processus curatif le plus ancien de pasteurisation (fort chauffage) nécessitant de grandes quantités d’énergie, les méthodes actuelles sont des actions mécaniques (brossage), l’action de produits chimiques polluants ou d’antibiotiques. Malheureusement, certaines souches sont devenues très résistantes à ces produits. Il faut également prendre garde à ce que ces produits agressifs n’altèrent pas les installations industrielles.
L’utilisation de moyens physiques pour la décontamination des eaux n’a été explorée que depuis moins d’un siècle, un phénomène appelé “effet bioélectrique” (Blenkinsopp 1992, Costerton 1994, Giladi 2008).
Plusieurs mécanismes ont été proposés pour cette inhibition : l’électrolyse, la production de dérivés toxiques et de radicaux libres liés aux électrodes ou la modification du pH. De plus, l’application d’un champ électrique pulsé de forte amplitude a été utilisée comme effet non thermique pour l’inhibition de la croissance bactérienne avec comme inconvénient majeur le phénomène d’électroporation.
Les champs électromagnétiques à haute fréquence (au-dessus du MHz) mais de faibles amplitudes ont été signalés dès les années 2000 comme un moyen d’améliorer la sensibilité des bactéries aux antibiotiques ou pour diminuer leur nombre, même en l’absence d’un antibiotique (Asami 2002, Bai 2006, Caubet 2004). Cependant, le consensus n’est pas encore établi sur le fait qu’il existe des effets d’inhibition pour des champs dits « athermiques » car il faut contrôler de très nombreux paramètres microbiologiques, chimiques et physiques pour valider l’existence ou pas de ces effets.
A notre connaissance, dans les gammes de fréquences de la dizaine de MHz, aucun travail d’envergure n’a été assez solide à ce niveau-là pour trancher la question.
Dans le cadre d’une thèse de doctorat qui se termine en janvier 2021, nous avons mis au point un dispositif original et souple permettant de contrôler précisément tous ces paramètres et de simultanément faire une spectroscopie d’impédance de la suspension bactérienne sous test, afin d’en tirer des informations biophysiques. La finalité est de disposer à terme d’un outil expérimental innovant, non polluant et économe en énergie pour la prévention de la contamination microbienne en milieux liquide.

2. Objectif du stage et questions de recherche traitées :
Le projet vise ainsi à tester le dispositif dans différentes conditions expérimentales afin d’apporter des éléments solides sur l’influence de chaque paramètre sur l’inhibition de croissance bactérienne et sur l’état des membranes cellulaires, ceci afin de rédiger un article dans une revue internationale à comité de lecture. Différentes configurations physiques (fréquence du champ électrique appliqué, amplitude), biologiques (essais sur une gamme d’espèces bactériennes variables par leur cycle de croissance, morphologie, paroi cellulaire, propriétés de surfaces, …) ou chimiques (composition du milieu, salinité, …) seront testées. Ces essais consisteront à traiter des cultures cellulaires obtenues dans différentes conditions et milieux de cultures et en conditions normalisées (mêmes concentration cellulaire initiale,
température, agitation, … ). Pour chaque essai, les taux de croissance cellulaire et de viabilité (microscopie de fluorescence) seront déterminés.
Ce travail est susceptible d’être poursuivi en thèse de doctorat. Le candidat devra être motivé par cette perspective.

3. Références :
* Références bibliographiques des proposants
Rauly D., M. Vindret, E. Chamberod, J.M.F. Martins et P. Xavier. Distribution of AC-electric-field-induced transmembrane voltage in Escherichia colicell wall layers, , Bioelectromagnetics, Vol. 42( 4), 279–288, 2020.
Vindret M., E. Chamberod, P. Xavier, J. Martins, D. Rauly,. Inhibition of bacterial growth by application of small AC electric fields: a study to understand the interaction mechanisms, Bioem2019, Montpellier, 23 – 28/06/2019
Xavier P., D. Rauly, E. Chamberod and J.M.F. Martins. Theoretical evidence of maximum intracellular currents vs frequency in an Escherichia colicell submitted to AC voltage. Bioelectromagnet. J. DOI:10.1002/bem.22033.
Archundia, D., C. Duwig, F. Lehembre, S. Chiron, M-C Morel, B. Prado, M. Bourdat-Deschamps, E. Vince, G. Flores Aviles and J.M.F. Martins.
Antibiotic pollution in the Katari subcatchment of the Titicaca Lake: major transformation products and occurrence of resistance genes. Sci. Total Environ. 576 : (15) 671–682. 2017.Constancias F., N. Chemidlin Prévost-Bouré, S. Terrat, S. Aussems, V. Nowak, J.-P. Guillemin, L. Biju-Duval, A.
Navel, J.M.F. Martins, P.A. Maron, and L. Ranjard. Micro-scale evidence for a high decrease of soil bacterial density and diversity by cropping. DOI 10.1007/s13593-013-0204-3. Agron. Sustain. Dev. 34: 831-840. 2014.
Desaunay A. and J.M.F. Martins. A physical cell-fractionation approach to assess the surface adsorption and internalization of cadmium by Cupriavidus metallidurans CH34. J. Haz. Mat. 273: 231-238. 2014.
Ivankovic T., S. Rolland du Roscoat, C. Geindreau, P. Séchet, Z. Huang and J.M.F. Martins. Development and evaluation of an experimental and protocol for 3D visualization and characterization of bacterial biofilm’s structure in porous media using laboratory X-Ray Tomography. (GBIF-2016-0154). In press Biofouling J.Simonin M., J.M.F. Martins, G. Uzu, E. Vince and A. Richaume. A combined study of TiO2 nano-particles transport and toxicity on microbial communities under acute and chronic exposures in soil columns. DOI: 10.1021/acs.est.6b02415. Environ. Sci. & Technol. 50: 10693–10699. 2016.
Navel A., G. Uzu, L. Spadini, S. Sobanska and J.M.F. Martins. Combining microscopy with spectroscopic and chemical methods for tracing the origin of atmospheric fallouts from mining sites. J. Haz. Mat. 300: 538. 2015.
Simonin M., J. P. Guyonnet, J.M.F. Martins, M. Ginot and A. Richaume. Influence of soil properties on the toxicity of TiO2 nanoparticles on carbon mineralization and bacterial abundance. J. Haz. Mat. 283: 529-535. 2015.
Rauly D. , E. Chamberod, P. Xavier, J. M.F. Martins, J. Angelidis, H. Belbachir. First approach toward a modelling of the impedance spectroscopic behavior of microbial living cells, COMSOL Conference, Grenoble, 14-16 Octobre 2015
Rauly D. , E. Chamberod, P. Xavier, J. M.F. Martins, J. Angelidis, H. Belbachir, Stochastic Approach for EM Modelling of Suspended Bacterial Cells with Non-Uniform Geometry & Orientation Distribution, 36ème Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2015), Prague (Rép Tchèque), 06-09/07/2015.
Samaké A., A. Bonin, J.-L. Jaffrezo, P. Taberlet, G. Uzu, S. Conil, and J.M.F. Martins. High levels of primary biogenic organic aerosols are driven by only a few plant-associated microbial taxa. Atmos. Chem. Phys., https://doi.org/10.5194/acp-20-5609-2020. 20: 5609–5628, 2020.
Samake A., G. Uzu, J.M.F. Martins, A. Calas, E. Vince, S. Parat and J.L. Jaffrezo. The unexpected role of bioaerosols in the Oxidative Potential of PM. Sci. Rep. 2017.

* Références citées dans le sujet
Asami K. 2002. Characterization of biological cells by dielectric spectroscopy. Journal of Non-Crystalline Solids 305(1–3):268–277.
Blenkinsopp, A E Khoury, and J W Costerton. Electrical Enhancement of biocide efficay against Pseudomonas aeruginosa biofilms. Applied and Environmental Microbiology Appl. Environ. Microbiol. November 1992 ; 58:11 3770-3773
Bai W, Zhao KZ, Asami K. 2006. Dielectric properties of E. coli cell as simulated by the three-shell spheroidal model. Biophysical Chemistry 122 :136–142.
Caubet R, Pedarros-Caubet F, Chu M, Freye E, de Belém Rodrigues M, Moreau JM, Ellison WJ. 200
, Ellison WJ. 2004. A radio frequency electric current enhances antibiotic efficacy against bacterial biofilms. Antimicrobial Agents and Chemotherapy 48(12):4662-4664.
Costerton JW, Ellis B, Lam K, Johnson F, Khoury AE. 1994. Mechanism of electrical enhancement of efficacy of antibiotics in killing biofilm bacteria. Antimicrobial Agents and Chemotherapy 38(12):2803-2809.
Giladi M, Porat Y, Blatt A, Wasserman Y, Kirson ED, Dekel E, Palti Y. 2008. Microbial growth inhibition by alternating electric fields. Antimicrobial Agents Chemotherapy 52(10):3517–3522.
Guiné V, Spadini L, Muris M., Sarret G., Delolme C., Gaudet JP, Martins JMF. 2006, Zinc Sorption to cell wall components of three gram-negative bacteria: a combined titration. Modelling and EXAFS study. Environ. Sci. Technol. 40 :1806-1813

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