Adrien Sarlet

• Biofilms are heterogeneous structures made of microorganisms embedded in a self-secreted extracellular matrix. Recently, biofilms have been studied as sustainable living materials with a focus on the tuning of their mechanical properties. One way of doing so is to use metal ions. In particular biofilms have been shown to stiffen in presence of some metal cations and to soften in presence of others. However, the specificity and the determinants of those interactions vary between species. While Escherichia coli is a widely studied model organism, little is known concerning the response of its biofilms to metal ions. In this work, we aimed at tuning the mechanics of E. coli biofilms by acting on the interplay between matrix composition and metal cations. To do so, we worked with E. coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres or phosphoethanolamine-cellulose (pEtN-cellulose) fibres or both. The viscoelastic behaviour of the resulting biofilms was investigated with rheology after incubation with one of the followingBiofilms are heterogeneous structures made of microorganisms embedded in a self-secreted extracellular matrix. Recently, biofilms have been studied as sustainable living materials with a focus on the tuning of their mechanical properties. One way of doing so is to use metal ions. In particular biofilms have been shown to stiffen in presence of some metal cations and to soften in presence of others. However, the specificity and the determinants of those interactions vary between species. While Escherichia coli is a widely studied model organism, little is known concerning the response of its biofilms to metal ions. In this work, we aimed at tuning the mechanics of E. coli biofilms by acting on the interplay between matrix composition and metal cations. To do so, we worked with E. coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres or phosphoethanolamine-cellulose (pEtN-cellulose) fibres or both. The viscoelastic behaviour of the resulting biofilms was investigated with rheology after incubation with one of the following metal ion solutions: FeCl3, AlCl3, ZnCl2 and CaCl2 or ultrapure water. We observed that the strain producing both fibres stiffen by a factor of two when exposed to the trivalent metal cations Al(III) and Fe(III) while no such response is observed for the bivalent cations Zn(II) and Ca(II). Strains producing only one matrix component did not show any stiffening in response to either cation, but even a small softening. In order to investigate further the contribution of each matrix component to the mechanical properties, we introduced additional bacterial strains producing curli fibres in combination with non-modified cellulose, non-modified cellulose only or neither component. We measured biofilms produced by those different strains with rheology and without any solution. Since rheology does not preserve the architecture of the matrix, we compared those results to the mechanical properties of biofilms probed with the non-destructive microindentation. The microindentation results showed that biofilm stiffness is mainly determined by the presence of curli amyloid fibres in the matrix. However, this clear distinction between biofilm matrices containing or not containing curli is absent from the rheology results, i.e. following partial destruction of the matrix architecture. In addition, rheology also indicated a negative impact of curli on biofilm yield stress and flow stress. This suggests that curli fibres are more brittle and therefore more affected by the mechanical treatments. Finally, to examine the molecular interactions between the biofilms and the metal cations, we used Attenuated total reflectance - Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to study the three E.coli strains producing a matrix composed of curli amyloid fibres, pEtN-cellulose fibres or both. We measured biofilms produced by those strains in presence of each of the aforementioned metal cation solutions or ultrapure water. We showed that the three strains cannot be distinguished based on their FTIR spectra and that metal cations seem to have a non-specific effect on bacterial membranes in absence of pEtN-cellulose. We subsequently conducted similar experiments on purified curli or pEtN-cellulose fibres. The spectra of the pEtN-cellulose fibres revealed a non-valence-specific interaction between metal cations and the phosphate of the pEtN-modification. Altogether, these results demonstrate that the mechanical properties of E. coli biofilms can be tuned via incubation with metal ions. While the mechanism involving curli fibres remains to be determined, metal cations seem to adsorb onto pEtN-cellulose and this is not valence-specific. This work also underlines the importance of matrix architecture to biofilm mechanics and emphasises the specificity of each matrix composition.…
• Biofilme sind heterogene Strukturen aus Mikroorganismen, die in eine selbst-abgesonderte extrazelluläre Matrix eingebettet sind. In letzter Zeit wurden Biofilme als nachhaltige lebende Materialien untersucht, mit dem Ziel ihre mechanischen Eigenschaften zu modifizieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung von Metallionen. Es hat sich gezeigt, dass Biofilme in Gegenwart einiger Metallkationen steifer und in Gegenwart anderer weicher werden. Die Spezifität und die Bestimmungsfaktoren dieser Wechselwirkungen sind jedoch je nach Spezies unterschiedlich. Obwohl Escherichia coli ein weithin untersuchter Modellorganismus ist, ist wenig über den Einfluss von Metallionen auf die Eigenschaften von E. coli-Biofilmen bekannt. Ziel dieser Arbeit war, die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Beeinflussung des Zusammenspiels von Matrixzusammensetzung und Metallkationen zu untersuchen und zu verändern. Zu diesem Zweck wurden E. coli-Stämme verwendet, die eine Matrix aus Curli-Fasern oderBiofilme sind heterogene Strukturen aus Mikroorganismen, die in eine selbst-abgesonderte extrazelluläre Matrix eingebettet sind. In letzter Zeit wurden Biofilme als nachhaltige lebende Materialien untersucht, mit dem Ziel ihre mechanischen Eigenschaften zu modifizieren. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist die Verwendung von Metallionen. Es hat sich gezeigt, dass Biofilme in Gegenwart einiger Metallkationen steifer und in Gegenwart anderer weicher werden. Die Spezifität und die Bestimmungsfaktoren dieser Wechselwirkungen sind jedoch je nach Spezies unterschiedlich. Obwohl Escherichia coli ein weithin untersuchter Modellorganismus ist, ist wenig über den Einfluss von Metallionen auf die Eigenschaften von E. coli-Biofilmen bekannt. Ziel dieser Arbeit war, die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Beeinflussung des Zusammenspiels von Matrixzusammensetzung und Metallkationen zu untersuchen und zu verändern. Zu diesem Zweck wurden E. coli-Stämme verwendet, die eine Matrix aus Curli-Fasern oder Phosphoethanolamin-modifizierter Zellulose (pEtN-Zellulose) oder aus beiden produzieren. Das viskoelastische Verhalten der resultierenden Biofilme wurde nach Inkubation mit einer der folgenden Metallsalzlösungen (oder Reinstwasser) rheologisch untersucht: FeCl3, AlCl3, ZnCl2 und CaCl2. Es zeigte sich, dass die Steifigkeit von Biofilmen des Stammes, der beide Fasern produziert, um das Doppelte höher ist, wenn sie den dreiwertigen Metallkationen Al(III) und Fe(III) ausgesetzt werden. Im Gegensatz dazu konnte keine derartige Veränderung der Steifigkeit beobachtet werden, wenn stattdessen die zweiwertigen Kationen Zn(II) und Ca(II) zugesetzt wurden. Stämme, die nur eine Matrixkomponente produzieren, zeigten keine Versteifung in Gegenwart von Kationen, sondern sogar eine geringe Erweichung. Um den Beitrag der einzelnen Matrixkomponenten zu den mechanischen Eigenschaften weiter zu untersuchen, wurden weitere Bakterienstämme mit den bereits genannten verglichen. Diese Stämme produzieren entweder Curli-Fasern in Kombination mit nicht modifizierter Zellulose, ausschließlich nicht modifizierte Zellulose oder keine der beiden Komponenten. Die resultierenden Biofilme wurden ohne den Zusatz von Salzlösung rheologisch charakterisiert. Da die Matrixarchitektur bei Rheologiemessungen zerstört wird, wurden die Biofilme ebenfalls mit Mikroindentation untersucht, welche mit intakten Biofilmen durchgeführt werden kann. Die Ergebnisse der Mikroindentation zeigen, dass die Steifigkeit der Biofilme hauptsächlich durch das Vorhandensein von Curli-Fasern bestimmt wird. Diese klare Unterscheidung der mechanischen Eigenschaften zwischen Biofilmmatrices mit und ohne Curli ist jedoch in den rheologischen Ergebnissen nicht erkennbar, d. h. nach teilweiser Zerstörung der Matrixarchitektur. Darüber hinaus zeigte die Rheologie eine niedrigere Fließspannung für Biofilme, die Curli enthalten. In der Kombination deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass Curli-Fasern spröder und daher stärker von der mechanischen Behandlung betroffen sind. Um die molekularen Wechselwirkungen zwischen der Biofilm-Matrix und Metallkationen zu untersuchen, wurden die drei E. coli-Stämme, die eine Matrix aus Curli-Fasern, pEtN-Zellulose oder beidem bilden, mit abgeschwächter Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (ATR-FTIR) charakterisiert. Die von diesen Stämmen produzierten Biofilme wurden in Gegenwart jeder der oben genannten Metallsalzlösungen und in Reinstwasser untersucht. Es wurde gezeigt, dass die drei Stämme anhand ihrer FTIR-Spektren nicht unterschieden werden können und dass in Abwesenheit von pEtN-Zellulose eine mögliche unspezifische Wirkung auf bakterielle Membranen besteht. Ähnliche Experimente mit gereinigten Curli-Fasern oder pEtN-Zellulose deuten darauf hin, dass Metallkationen in erster Linie eine nicht-valenzspezifische Wechselwirkung mit der Phosphatgruppe der pEtN-Modifikation eingehen. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die mechanischen Eigenschaften von E. coli-Biofilmen durch Inkubation mit Metallkationen modifiziert werden können. Während die Mechanismen, an denen Curli-Fasern beteiligt sind, noch nicht aufgeklärt sind, scheinen Metallkationen an pEtN-Zellulose zu adsorbieren. Diese Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der Matrixarchitektur für die Mechanik von Biofilmen und verdeutlicht die Wichtigkeit der jeweiligen Matrixzusammensetzung für die Spezifität und das Ausmaß der beobachteten Effekte.…