Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’Université chinoise de Hong Kong a rapporté l’émergence d’ondes mécaniques en spirale dans la matière bactérienne.
Les ondes spirales sont couramment observées dans les systèmes artificiels et naturels (comme le cœur). Ceux-ci émergent des interactions d’éléments voisins, comme les cellules cardiaques dans le cas du cœur. Ces ondes spirales peuvent avoir des effets variés, conduisant parfois à des affections potentiellement mortelles comme une fibrillation cardiaque.
Le nouvelle étudePublié dans Physique naturelle, explore les ondes spirales chez les bactéries, quelque chose qui n’a jamais été observé auparavant. Les chercheurs se sont particulièrement concentrés sur l’espèce Pseudomonas aeruginosa. On les trouve couramment dans le sol et l’eau et on sait également qu’ils colonisent les hôpitaux.
La recherche s’inscrit dans la continuité de leur précédent travail où les auteurs ont étudié le transport de matières à longue distance dans les communautés bactériennes via des canaux fluidiques ouverts.
Le co-auteur de l’étude, le Dr Shiqi Liu, a déclaré à Phys.org : « Pendant que nous étudiions le développement des canaux bactériens, nous avons découvert des signatures d’ondes de densité et avons été intrigués par ce magnifique motif d’ondes. »
Des ondes spirales cartographiées dans des cœurs humains vivants.
Moteurs Pilus
Ces ondes spirales observées par les chercheurs chez les bactéries sont un phénomène émergent. Les phénomènes émergents constituent un aspect crucial des systèmes complexes, qui sont des systèmes dans lesquels l’interaction d’entités individuelles conduit à des phénomènes qui autrement ne pourraient pas être observés.
Cela signifie que nous devons comprendre ce qui se passe au niveau de chaque entité, qui est en l’occurrence une bactérie Pseudomonas aeruginosa. Ces bactéries possèdent des moteurs pileux, qui sont la clé des ondes spirales.
Les moteurs pilus sont des moteurs moléculaires attachés aux pili, de fins appendices ressemblant à des cheveux, présents à la surface des cellules bactériennes. Ces moteurs jouent un rôle important dans divers processus de la bactérie, tels que le mouvement et la fixation à la surface.
« Les ondes spirales qui se propagent résultent de l’activité coordonnée du pilus moteur, un organite mobile semblable à un grappin que l’on trouve chez de nombreuses espèces bactériennes », a expliqué un co-auteur de l’étude, le Dr Yilin Wu.
Les mouvements mécaniques des moteurs pilus chez de nombreuses bactéries entraînent ces ondes spirales, qui ressemblent à des ondulations à la surface bactérienne.
Marqueurs protéiques et oscillateurs couplés
Pour étudier les ondes spirales, les chercheurs ont utilisé à la fois des techniques expérimentales et une modélisation mathématique.
Les chercheurs se sont appuyés sur l’utilisation de protéines fluorescentes comme marqueurs. Ils ont suivi le mouvement de cellules individuelles en marquant une petite fraction de la population avec ces protéines fluorescentes.
Ensuite, ils ont utilisé un microscope pour observer le comportement de bactéries individuelles et de populations bactériennes. Les chercheurs ont également utilisé les marqueurs pour suivre les densités cellulaires afin de visualiser la répartition spatiale des cellules au sein des populations bactériennes.
Pour mieux comprendre le rôle de l’activité motrice du pilus dans la génération d’ondes spirales, les chercheurs ont traité les populations bactériennes avec des médicaments connus pour affecter l’activité motrice du pilus. En observant les effets de ces traitements sur la dynamique des vagues, ils pourraient en déduire l’importance des moteurs pilus dans la formation des vagues.
Enfin, les chercheurs ont développé un modèle mathématique basé sur des oscillateurs couplés, dans lequel le mouvement d’un oscillateur affecte les autres et vice versa. Le modèle mathématique a été construit pour simuler le comportement des populations bactériennes et valider leurs travaux expérimentaux.
Interactions non réciproques et coordination à grande échelle
Les chercheurs ont découvert que les ondes spirales résultaient de l’activité coordonnée des moteurs pilus. Ils ont également observé que les ondes étaient autonomes et stables, avec des noyaux en spirale presque stationnaires.
Cette stabilité est une caractéristique partagée par certains types d’ondes spirales électriques et chimiques trouvées dans d’autres systèmes vivants. Cependant, les ondes spirales observées chez les bactéries sont distinctes des autres ondes spirales.
Le Dr Liu a expliqué : « Les ondes de tension spirales que nous avons découvertes dans les populations bactériennes sont dues à des processus mécaniques cycliques au niveau d’une seule cellule, distincts des ondes spirales dans la plupart des processus chimiques/biologiques, où les ondes spirales se présentent sous la forme d’ondes oscillantes. concentration chimique. »
« De plus, les ondes de tension spirales dans les populations bactériennes émergent spontanément sans stimulation externe ni inhomogénéité, tandis que les ondes spirales dans de nombreux autres systèmes nécessitent une stimulation ou une inhomogénéité spatiale. »
De plus, les chercheurs ont démontré le rôle des interactions non réciproques entre les cellules bactériennes sur les ondes spirales. Ils ont découvert que ces interactions (qui sont asymétriques, ce qui signifie que l’impact d’une cellule sur une autre ne se reflète pas) sont essentielles à la formation stable d’ondes spirales.
Essentiellement, cela signifie que ces interactions peuvent conduire à une forme d’auto-organisation (ou de subsistance) qui donne lieu à des comportements collectifs à grande échelle ou à des phénomènes émergents, comme la propagation d’ondes spirales.
Biofilms et dispersion
Les résultats mettent en lumière les populations bactériennes et leur comportement, comme la formation de biofilms.
Lorsque les bactéries adhèrent à une surface, elles le font en produisant des substances polymères extracellulaires (EPS). Cette substance forme une communauté structurée connue sous le nom de biofilm, de telle sorte que la bactérie est intégrée dans une matrice d’EPS, la protégeant des stress environnementaux tels que les antibiotiques et les réponses immunitaires de l’hôte.
L’ensemble de ce processus, appelé formation de biofilms, est essentiel à la survie des colonies bactériennes. L’opposé de ce phénomène – la dispersion – est tout aussi important.
Lorsque les bactéries présentes dans un biofilm se détachent et se propagent vers de nouveaux emplacements, on parle de dispersion. La dispersion peut se produire en réponse à des signaux environnementaux, à la disponibilité de nutriments ou dans le cadre du cycle de vie de la bactérie.
Ce mécanisme peut aider les bactéries à coloniser de nouvelles surfaces ou environnements hôtes et peut influencer la propagation de maladies infectieuses ou la formation de communautés microbiennes dans divers écosystèmes.
Les chercheurs pensent que les moteurs pilus servent non seulement d’actionneurs mécaniques mais également de capteurs. Cela signifie qu’ils peuvent détecter des stimuli mécaniques dans l’environnement, ce qui permet des mouvements synchronisés au sein des populations bactériennes.
« Nous pensons que la coordination ou le couplage des activités des pilus permet aux populations bactériennes de contrôler les forces de tension à grande échelle et peut influencer leur dispersion », a expliqué le Dr Wu.
Par conséquent, comprendre les ondes spirales peut aider à comprendre le comportement des espèces bactériennes.
De plus, les ondes spirales stationnaires se retrouvent dans de nombreux systèmes divers. « Le modèle d’onde dans la matière bactérienne alimentée par les pilus peut donc fournir un analogue mécanique exploitable pour étudier l’origine et le contrôle des ondes spirales stables dans divers systèmes vivants, tels que les tissus cardiaques », a expliqué le Dr Liu.
Pour leurs travaux futurs, les chercheurs souhaitent étudier comment les ondes spirales peuvent être contrôlées.
« Ces informations pourraient guider le contrôle des ondes spirales stables dans d’autres systèmes vivants. Par exemple, le contrôle des ondes spirales dans les tissus cardiaques associées à une arythmie cardiaque potentiellement mortelle », a déclaré le Dr Wu.
Plus d’information:
Shiqi Liu et al, Émergence d’ondes spirales mécaniques à grande échelle dans la matière vivante bactérienne, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02457-5
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