Vers une Meilleure compréhension de l’Inhibition de la CROissance Bactérienne par voie ELECtromagnétique (Projet MICROBELEC)

                                                                               Proposition de SUJET DE THESE – SEPTEMBRE 2017        

Vers une Meilleure compréhension de l’Inhibition de la CROissance Bactérienne par voie ELECtromagnétique (Projet MICROBELEC)

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

Lieux :
– Institut de Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique – Laboratoire d’Hyperfréquences et de Caractérisation (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 (IMEP-LaHC, http://imep-lahc.grenoble-inp.fr), unité mixte de recherche (CNRS/Grenoble INP/UJF/Université de Savoie) de 180 personnes 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, http://www.ige-grenoble.fr/) Unité Mixte de recherche (CNRS/Grenoble-INP/IRD/UJF) 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 (E. Vince). 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).

Directeur de thèse : XAVIER Pascal, xavier@univ-grenoble-alpes.fr, 04.56.52.95.69
Co-directeur de thèse : MARTINS Jean, jean.martins@univ-grenoble-alpes.fr, 04.76.63.56.04

Financement : allocation doctorale de recherche (DEMANDE à  faire en MARS-AVRIL 2017)

Profil du candidat : Bac+5 en ingénierie biomédicale.
Le candidat devra avoir une formation d’électronique ou de physique appliquée et de biologie. Le travail proposé est très complet et formateur car il allie CAO, réalisation de circuits, modélisation multiphysique et tests microbioliques expérimentaux.

1.     Contexte scientifique et objectifs

Dans la bataille continue contre le développement de microorganismes (pathogènes ou non) dans des contextes sanitaires, agroalimentaires ou industriels, outre le processus curatif le plus ancien de pasteurisation (chauffage) nécessitant de grandes quantités d’énergie, les méthodes actuelles sont des actions mécaniques (brossage) et l’action de produits chimiques polluants : acide acétique, soude, peroxyde d’hydrogène, dioxyde de chlore. L’industrie fromagère est par exemple l’un des plus gros utilisateurs de chlore. Malheureusement, certaines souches sont devenues très résistantes à ce désinfectant. 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. Le courant électrique continu ou alternatif basse fréquence, d’intensité relativement faible, a d’abord été prouvé comme étant efficace. Ce procédé a été signalé il y a plus de cinquante ans, avec de nombreux rapports ultérieurs. La plupart des articles de la littérature sur le sujet porte sur l’amélioration de l’efficacité des antibiotiques contre les micro-organismes par l’application de courants continus faibles, 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’électro-poration.
Les champs électromagnétiques à haute fréquence (au-dessus du MHz) mais de faibles amplitudes (<1 V/cm) 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).
En exploitant cette idée entre 2011 à 2015, dans le cadre du projet APELBIO issu du programme ECO-INDUSTRIE du Ministère de l’Industrie et porté par la PME LEAS, en collaboration avec SCHNEIDER ELECTRIC et les 2 laboratoires grenoblois impliqués dans le présent projet : IMEP-LAHC (activité « bioélectromagnétisme » au sein du groupe RFM) et IGE (activité microbiologie au sein du groupe HyDRIMZ), nous avons validé un concept expérimental innovant, non polluant et économe en énergie pour la prévention de la contamination microbienne en milieux aqueux. Nous avions noté que la fréquence optimale pour laquelle cette inhibition était maximale semblait dépendre du type de bactérie, ce qui a été confirmé par nos simulations numériques utilisant le logiciel COMSOL Multiphysics avec un modèle élaboré par nos soins (Xavier 2017). Nous avons donc eu l’idée d’utiliser une source de bruit blanc (10kHz-10MHz) à la place d’une source CW. Nos résultats, meilleurs qu’avec une source à fréquence fixe, se situent à l’état de l’art international et ont mené au dépôt d’une demande de brevet en mai 2015. Malheureusement, les mécanismes d’action fins des ondes sur les cellules bactériennes conduisant à l’inhibition de leur croissance n’ont pas pu être identifiés ce qui n’a pas permis d’optimiser notre dispositif. C’est ce que nous ambitionnons de faire dans le cadre de ce projet de thèse.

2. Objectif général et questions de recherche traitées.

Ce travail doctoral vise ainsi à contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires d’interaction ondes électromagnétiques – cellules dans un contexte de décontamination microbienne en phase liquide. Le projet s’appuie sur les travaux récents menés dans le cadre du projet APELBIO cité ci-dessus et vise à les compléter, puisqu’il cherche à identifier les mécanismes d’action des ondes électromagnétiques qui permettent de limiter fortement la croissance de micro-organismes en suspension (bactéries, levures et champignons…). Les différentes étapes du travail doctoral seront donc :

1/ Conception et réalisation d’un instrument compact couvrant la gamme 10 Hz – 50 MHz pour des expérimentations sur pilotes. Cet instrument autonome est basé sur la mise en œuvre d’un composant DDS en association avec un microcontrôleur. Il aura la charge de générer de manière parfaitement contrôlée le bruit électromagnétique permettant la décontamination et, alternativement, de mesurer l’impédance détectant l’effet décontaminant. Un premier prototype a déjà été développé récemment et nous a permis de mener des essais préliminaires avec la bactérie Escherichia coli, qui ont mené au brevet précité.
La conception et la réalisation de l’instrument RF est l’une des compétences principales de l’IMEP-LAHC. La détection in situ de l’efficacité de la décontamination passe par une mesure de bio-impédance de la solution contenant les microorganismes. Ce dernier sujet a, depuis de nombreuses années, donné lieu à quantité de brevets et de travaux : nous savons quels écueils éviter pour construire un dispositif compact et insensible aux effets d’électrodes

2/ Tests de décontamination réalisés selon un plan d’expérience préalablement défini en suivant une large palette de conditions physiques (balayant des gammes réalistes d’amplitude et de fréquence des ondes électromagnétiques), chimiques (ambiance géochimique variable, en termes de composition et force ionique de la solution, qui ont un effet important sur les propriétés de surface des cellules vivantes, comme leur potentiel zéta ou leur état dispersé ou aggloméré pouvant potentiellement moduler les effets électromagnétiques) et biologiques (le type de bactérie étudié pourrait influencer les effets électromagnétiques déjà observés sur E. coli, nous appliquerons donc nos essais sur une gamme d’espèces bactériennes variables par leur cycle de croissance, morphologie, paroi cellulaire, propriétés de surfaces, …).
Pendant la première année de thèse, le doctorant établira donc un plan d’expérience rigoureux et fiable qui devra permettre de tester tous les facteurs initialement identifiés comme prépondérants dans le processus d’inhibition de la croissance biologique.
D’un point de vue expérimental, 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 (cytométrie de flux, microscopie de fluorescence, qPCR) et la synthèse d’ATP (mesurée par bioluminescence et reflétant l’état physiologique cellulaire) seront déterminés. Les traitements électromagnétiques (très en-dessous des niveaux menant à des effets thermiques) seront effectués sur les modèles bactériens retenus et représentatifs de différents milieux et contextes (Escherichia coli, Pseudomonas sp, Salmonella anatum, Listeria sp., Bacillus subtilis, Listeria innocua…). Des essais avec des mélanges cellulaires seront également menés. Dans ce cas, des approches de biologie moléculaire seront mises en oeuvre pour le suivi des effets des ondes électromagnétiques : empreinte génétiques et quantification cellulaire par qPCR.

3/ Compréhension et modélisation numérique sous COMSOL Multiphysics des mécanismes en jeu au niveau moléculaire et membranaire lors de l’application des signaux électromagnétiques de faible intensité. Dans nos travaux antérieurs, le modèle de la bactérie développé en interne était simple. Il s’agit maintenant d’affiner ce modèle numérique sans viser toutefois la complexité des modèles élaborés utilisés en biologie de synthèse, en suivant deux voies parallèles, à savoir la modélisation des microorganismes d’une part et celle de leur environnement d’autre part. Le couplage et la confrontation des résultats de modélisation et de suivis microbiologiques des essais de décontamination devraient permettre d’identifier les principaux mécanismes d’action des ondes sur les cellules vivantes.
Pour ce qui concerne la partie environnementale, nous souhaitons modéliser de façon réaliste le comportement des solutions nutritives dans lesquelles sont plongés les microorganismes, en tenant compte, en termes de conduction électrique et de polarisation diélectrique, des divers composants de ces solutions. Par ailleurs, la modélisation du milieu fait intervenir l’étude fine de l’interface au voisinage de l’électrode, qu’il s’agira de traiter numériquement avec l’outil électrochimique du logiciel.
La seconde grande partie du travail de modélisation proposé concerne le microorganisme lui-même. Nous souhaitons poursuivre la démarche qui a prévalu dans nos travaux antérieurs. Ainsi, l’étude préalablement menée sur E. coli a fait appel jusqu’à présent à un modèle purement passif et diélectrique : la bactérie était vue comme une simple coque diélectrique enfermant du sérum physiologique. Ce modèle a permis notamment de cerner la gamme de fréquence conduisant à un courant maximum absorbé par le microorganisme, lorsqu’une tension alternative était appliquée au milieu chargé par les bactéries. Plusieurs améliorations s’avèrent aujourd’hui nécessaires pour affiner la compréhension du phénomène. Tout d’abord il convient de prendre en compte la présence des charges (le plus souvent protoniques) mises en jeu dans la bactérie, que celles-ci soient au repos ou en mouvement : la bactérie devient un système actif. En second lieu, il sera nécessaire de prendre en compte les phénomènes de vibrations mécaniques, intervenant notamment au niveau membranaire, car ceux-ci contribuent également à des déplacements de charge, à la création de champ électromagnétiques ou au couplage avec des champs extérieurs.

Pour conclure sur le volet « modélisation », il est à noter que toutes ces opérations de simulation sont susceptibles de conduire à l’élaboration d’un schéma électrique équivalent. Cette démarche permettra, grâce à une étude amont systématique basée sur COMSOL Multiphysics, de traiter des cas généraux plus simplement en utilisant des outils gratuits sur le marché (citons par ex. le logiciel SPICE).

3. Compétences acquises pendant la thèse et conditions d’encadrement :

Le caractère transdisciplinaire de ce sujet de thèse garantit au doctorant l’acquisition de compétences dans des domaines aussi variés que la conception en instrumentation électronique analogique et numérique, les tests en microbiologie, la modélisation numérique multi-physique par éléments finis, compétences qui seront fortement valorisables dans son CV.
Tous les matériels nécessaires au bon avancement des travaux sont déjà présents au sein des deux laboratoires partenaires. L’équipe d’encadrement est composée d’un professeur d’Université et d’un Directeur de Recherche CNRS, accompagnés de deux Maîtres de conférences plus spécialisés sur les aspects instrumentaux et de modélisation.

4. Références

* Références bibliographiques des proposants
Xavier P., D. Rauly, E. Chamberod and J.M.F. Martins. Theoretical evidence of maximum intracellular currents vs frequency in an Escherichia coli cell submitted to AC voltage. Bioelectromagnet. J. DOI:10.1002/bem.22033.
Archundia D., C. Duwig, L. Spadini, G. Uzu, S. Guédron, M.C. Morel, R. Cortez, Oswaldo Ramos, J. Chincheros, and J.M.F. Martins. How uncontrolled urban expansion increases the contamination of the Titicaca lake basin (El Alto – La Paz, Bolivia). Water, Air and Soil Pollution J. In press. 2017.
Navel A., L. Spadini, J.M.F. Martins, E. Vince and I. Lamy. Soil aggregates as a scale to investigate organic matter versus clay reactivities toward metals and protons. Accepted with revision. Eur. J. Soil Sci. 2017.
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.
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.
D. Rauly, 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
D. Rauly, 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

* 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. 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.