Biologie des Systèmes Bactériens et Résistance aux Antibiotiques

Nous combinons la bactériologie, la microfluidique, la microscopie et la modélisation mathématique afin de mieux comprendre comment la bactérie Escherichia coli aux antibiotiques qui endommagent l'ADN.

Membres de l’équipe : 

  • Meriem El Karoui (Cheffe d’équipe, DR CNRS)
  • Léo Caulat (AGPR, ENS Paris-Saclay)
  • Mélissa Poncet (IR)
  • Tatiana Coelho (AI)
  • Louise Goossens (Doctorante, co-supervision, University of Edinburgh)
  • Achille Fraisse (Doctorant, co-supervision, University of Edinburgh)
  • Dorian Joffres (Stagiaire de M2)
  • The-Phuong Nguyen (Stagiaire de M2)

Contact:  meriem.el_karoui at ens-paris-saclay.fr

La résistance aux antibiotiques est un problème majeur de santé publique qui va changer la médecine telle que nous la connaissons, rendant potentiellement très risquées les interventions chirurgicales de routine ou les traitements contre le cancer. Alors que les cibles des antibiotiques sont généralement bien définies, on en sait étonnamment peu sur la manière dont l'efficacité des antibiotiques dépend de l'état physiologique des bactéries. Pourtant, les bactéries peuvent se développer dans des conditions diverses et présenter une grande hétérogénéité phénotypique à l’échelle de la cellule unique dans leurs réponses aux antibiotiques, ce qui entraîne une tolérance transitoire aux antibiotiques et à long terme une résistance. L'objectif de notre équipe est de caractériser de manière expérimentale et quantitative comment la survie des bactéries exposées aux antibiotiques dépend de leur état physiologique. Nous utilisons Escherichia coli comme bactérie modèle et employons des souches de laboratoire, telles que K-12 MG1655, et des souches uropathogènes (UPEC) responsables d'infections urinaires (UTI). Nous nous concentrons principalement sur les antibiotiques qui causent des dommages à l'ADN, tels que la ciprofloxacine, une fluoroquinolone. 

Les bactéries peuvent croître à des vitesses très différentes : par exemple, E. coli peut se diviser toutes les vingt minutes dans l'urine lors d'infections urinaires, ou beaucoup plus lentement (toutes les 3 heures) dans l'intestin. De plus, les cellules d'une population isogénique diffèrent phénotypiquement en raison de facteurs stochastiques et environnementaux. Cette hétérogénéité phénotypique peut permettre à un sous-ensemble de cellules d'augmenter leur probabilité de survie lorsqu'elles sont exposées à des antibiotiques. Un exemple de ce phénomène est le phénomène de persistance bactérienne, dans lequel un sous-ensemble de cellules entre dans un état dormant, tolérant aux médicaments, sans être résistant. Ce phénomène a suscité beaucoup d'intérêt, mais on s'est beaucoup moins intéressé à la manière dont les changements dans les taux de croissance des bactéries se divisant activement affectent la sensibilité aux antibiotiques. En effet, l'hétérogénéité de la croissance et de l'expression génétique pourrait conduire à une « résilience » transitoire, dans laquelle les cellules survivent sans nécessairement entrer en dormance, en raison de la variation de leurs taux de croissance individuels. Nous cherchons donc à quantifier, à l’échelle de la cellule unique, la réponse aux dommages causés à l'ADN en fonction du taux de croissance et à identifier les mécanismes moléculaires sous-jacents. 

De plus, dans les environnements naturels, les facteurs de stress peuvent avoir un impact plus important sur la physiologie des cellules bactériennes qu'un simple changement de croissance. Un exemple important est le passage des bactéries d'un état avec une paroi cellulaire à un état dépourvu de paroi (CWDB). Des CWDB d'E. coli ont été découvertes dans les macrophages et dans l'urine de patients souffrant d'infections urinaires récurrentes. On pense qu'elles apparaissent comme un mécanisme de protection contre les antibiotiques ciblant la paroi cellulaire auxquels elles deviennent tolérantes. Elles restent métaboliquement actives, mais se multiplient plus lentement que leurs homologues à paroi et par des mécanismes différents. Cependant, la sensibilité des CWDB aux antibiotiques qui ne ciblent pas la synthèse de la paroi cellulaire, et en particulier à la ciprofloxacine et aux agents endommageant l'ADN, n'a pas été bien caractérisée et constitue notre deuxième thème de recherche. 

Dans le contexte des infections urinaires, les bactéries colonisent et infectent les voies urinaires. Les infections urinaires sont classées en infections urinaires basses (cystite), qui impliquent une infection de la vessie, et infections urinaires hautes (pyélonéphrite), qui impliquent une infection des reins. Dans les deux types d'infection, les bactéries colonisent l'épithélium de différents organes. Dans ces environnements complexes, la sensibilité et la réponse des bactéries aux antibiotiques sont susceptibles d'être modifiées, mais cela n'a pas encore été étudié en détail. Notre troisième thème de recherche consiste donc à comprendre la réponse et la tolérance d'E. coli à la ciprofloxacine dans les voies urinaires, en utilisant des microtissus de la vessie et de l'uretère pour modéliser l'infection.  

L'équipe possède une expertise en bactériologie moléculaire, en microscopie quantitative (épifluorescence, HILO, suivi de molécules individuelles) et en analyse d'images à l'aide d'algorithmes de réseaux de neurones, ainsi qu'en microfluidique et en modélisation mathématique.  

Publications récentes :

1.    Single-molecule imaging of RecB in vivo reveals dynamics of DNA Double Strand Break repair in Escherichia coli. Daniel Thédié, Alessia Lepore, Lorna McLaren, Meriem El Karoui. bioRxiv 2024.12.18.629153; doi: https://doi.org/10.1101/2024.12.18.629153

2.    Deciphering the Replication-Division Coordination in E. coli: A Unified Mathematical framework for Systematic Model Comparison. A. Perrin, M. Doumic, M. El Karoui and S. Méléard. bioRxiv 2025.07.25.666816, doi: https://doi.org/10.1101/2025.07.25.666816

3.    Suppression of bacterial cell death underlies the antagonistic interaction between ciprofloxacin and tetracycline in Escherichia coli. J. Broughton, A. Fraisse, and M. El Karoui. Mol Syst Biol. 2026 Jan;22(1):102-118. doi: 10.1038/s44320-025-00162-w

4.    In vivo single-molecule imaging of RecB reveals efficient repair of DNA damage in Escherichia coli. A. Lepore, D. Thédié, L. McLaren, B. Azeroglu, O.J. Pambos, A. N. Kapanidis, M. El Karoui. Nucleic Acids Research, Volume 53, Issue 10, 10 June 2025 DOI: 10.1093/nar/gkaf454

5.    Kalita I., Iosub I.A., Granneman S., & M. El Karoui. 2024.An Hfq-dependent post-transcriptional mechanism fine tunes RecB expression in Escherichia coli eLife13:RP94918 https://doi.org/10.7554/eLife.94918.22024. 

Collaborations actuelles
Sylvie Méléard et Marie Doumic, Alexandre Perrin, Ecole polytechnique (ERC SINGER)
Imane El Méouche, INSERM, Sakina Bensalem, ENS Paris Saclay (ANR RESISTANTE)
Diego Oyarzun, Jamie Davies and Maddie Moule. University of Edinburgh
Mannish Kushwaha (INRAE), Matthias Fuegger, Thomas Nowak (ENS-Paris-Saclay)