Tous les hôpitaux combattent une menace invisible : Pseudomonas aeruginosa. C’est un type de bactérie qui affecte chaque année des milliers de patients dans les unités de soins intensifs, où il peut provoquer une septicémie, une pneumonie et d’autres types d’infections.
« Pour la personne moyenne en bonne santé, P. aeruginosa ne constitue pas une menace sérieuse », a déclaré le bactériologiste de l’Université de Notre Dame Joshua Shrout. « Mais pour ceux qui sont les plus vulnérables – qui sont immunodéprimés, qui utilisent un ventilateur ou un cathéter, ou qui se remettent de brûlures graves ou d’opérations chirurgicales – ce n’est pas seulement grave, mais mortel. Et cela est dû à la bactérie sophistiquée suite de tactiques d’autodéfense. »
Shrout, professeur au Département de génie civil et environnemental et des sciences de la Terre, dirige un groupe de recherche qui étudie ces tactiques en détail. Il explique qu’en plus d’être résistant à la plupart des antibiotiques les plus courants, P. aeruginosa adhère facilement aux surfaces où il crée sa propre protection en se recouvrant d’un biofilm de type polymère. Dans certaines conditions, P. aeruginosa peut également acquérir des souches antibiotiques d’autres organismes, et il peut même générer du cyanure pour tuer ses concurrents.
Penser en dehors de la boîte de Pétri
Il y a dix ans, Shrout a commencé à collaborer avec Paul Bohn, professeur Arthur J. Schmitt de génie chimique et biomoléculaire et directeur de l’Institut Berthiaume de Notre-Dame pour la santé de précision. Le laboratoire de Bohn se spécialise dans la création de nouvelles technologies pour une analyse plus précise des cellules et des molécules. Ensemble, Bohn et Shrout ont commencé à chercher de nouvelles façons d’observer des micro-organismes comme P. aeruginosa, allant au-delà du processus traditionnel d’observation de cultures cellulaires cultivées dans une boîte de Pétri.
« Si vous cultivez et observez toute une culture de cellules, vous observez en moyenne des comportements généraux », a déclaré Bohn. « Mais nous savons maintenant que les effets les plus importants proviennent parfois de la minorité d’une population donnée. »
Shrout a expliqué cet effet en utilisant une analogie avec les comportements d’autres organismes. « Imaginez que vous êtes assis sur votre porche arrière en train d’écouter les grillons à l’extérieur », a-t-il déclaré. « Il peut y avoir des milliers de grillons, mais ceux qui vous affectent sont ceux qui gazouillent. Il peut également y avoir des types similaires de variations dans les populations de bactéries. Cependant, la plupart des microbiologistes n’ont pas les outils pour apprécier pleinement les effets des microbiologistes. acteurs au sein d’une population.
Bohn et Shrout savaient qu’avant de pouvoir trouver les principales différences dans une population de P. aeruginosa, ils devaient résoudre certains défis techniques majeurs. Premièrement, ils auraient besoin de capturer des cellules individuelles. Ensuite, pour mener une expérience significative, ils devraient appliquer le même stimulus aux cellules de la même manière au même moment. Et, enfin, ils auraient besoin d’un moyen d’observer l’expérience, en suivant les différences entre les cellules lorsqu’elles réagissent au stimulus.
Grâce au financement de l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses et de la National Science Foundation, Bohn et Shrout ont décidé de lancer une nouvelle approche. « Au début », a déclaré Bohn, « nous avons été captivés par une question très simple : « Et si nous forions des trous du même diamètre que les cellules bactériennes ? Si nous le faisions, pourrions-nous inciter les cellules à se déplacer et à rester à l’intérieur ? » »
Construire un meilleur piège à bactéries
Allison Cutri, étudiante au doctorat en chimie dans le groupe de recherche de Bohn, a relevé le défi de créer l’appareil dans le cadre de sa thèse de recherche. Cutri a travaillé aux côtés de l’associé de recherche postdoctoral Vignesh Sundaresan pour développer la plate-forme principale de l’appareil à l’intérieur de la salle blanche de l’installation de nanofabrication de Notre Dame. Ils ont utilisé un processus additif, construisant la plate-forme couche par couche comme une micropuce. Pour le cœur de l’appareil, ils ont utilisé une couche d’époxy et ils ont recouvert les deux côtés d’un mince placage d’or pour conduire l’électricité vers des points ciblés sur chaque bactérie, comme pour fixer une électrode à chaque extrémité de la cellule.
Ensuite, Cutri a travaillé avec l’installation d’imagerie intégrée de Notre Dame pour fraiser plus de 100 petits trous appelés micropores dans l’appareil. Chaque micropore est foré à l’aide d’un faisceau d’ions focalisé à un diamètre inférieur à un micron – soit environ 50 fois plus petit que le diamètre d’un cheveu humain – pour permettre à une bactérie de se glisser à l’intérieur.
Grâce à la propension de P. aeruginosa à coller aux surfaces, Cutri a pu enfermer des cellules individuelles sur l’appareil et dans les micropores, où chacune s’est installée dans son propre pore. L’équipe a ensuite pu appliquer des charges électriques à travers les couches d’or tout en filmant l’expérience à travers un microscope à fluorescence spécialement conçu pour observer une classe de molécules bactériennes.
Ils ont observé une lueur provenant des puits, ce qui a prouvé que l’appareil avait été correctement chargé de bactéries. Et alors qu’ils testaient régiment après régiment de cellules, ils ont remarqué que des modèles commençaient à émerger. Certaines cellules brillaient avec la charge électrique. D’autres brillaient par intermittence en réponse à la charge, tandis qu’un troisième ensemble brillait indépendamment de la charge.
« Nous ne savons toujours pas quelles autres différences pourraient exister ou ce que les différences signifient pour lutter contre P. aeruginosa », a déclaré Shrout. Après une enquête plus approfondie, cependant, ils ont pu voir des modèles similaires dans un type de bactérie différent : E. coli. Ils ont également pu déterminer que l’état métabolique de chaque cellule, qu’elle absorbe ou dépense de l’énergie, jouait un rôle clé dans la formation de son comportement.
Pour l’instant, les chercheurs ont déclaré espérer que les modèles qu’ils ont observés et l’appareil qu’ils ont créé, qui ont été récemment décrits dans Rapports de cellule Sciences physiquesinspirera des projets de recherche similaires.
« Nous savons depuis un certain temps que P. aeruginosa présente un comportement fluorescent en réponse à une charge », a expliqué Cutri. « Mais pour reconnaître qu’il y a tellement de variations dans la façon dont les cellules réagissent, vous avez besoin d’un appareil qui vous permettra d’observer les cellules individuellement. Avec les approches existantes, ces différences seraient masquées. »
Shrout a ajouté : « En tant que chercheur, il est gratifiant non seulement de poser de nouvelles questions, mais aussi de développer les nouveaux outils et les nouvelles plateformes qui rendent ces questions possibles. En associant une connaissance du comportement cellulaire à la nanofabrication et à l’imagerie haute résolution , c’est ce que nous avons pu faire avec ce projet. »
Plus d’information:
Allison R. Cutri et al, Comportement spectroélectrochimique de réseaux parallèles de cellules uniques de Pseudomonas aeruginosa orientées verticalement, Rapports de cellule Sciences physiques (2023). DOI : 10.1016/j.xcrp.2023.101368