Semblable à la façon dont les cellules des tissus humains communiquent et fonctionnent ensemble dans leur ensemble, les bactéries sont également capables de communiquer entre elles par le biais de signaux chimiques, un comportement connu sous le nom de signalisation de quorum (QS). Ces signaux chimiques se propagent à travers un biofilm que les colonies de bactéries forment après avoir atteint une certaine densité, et sont utilisés pour aider les colonies à récupérer la nourriture, ainsi qu’à se défendre contre les menaces, comme les antibiotiques.
« QS les aide à construire des infrastructures autour d’eux, comme une ville », a décrit Dharmesh Parmar, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Jonathan Sweedler (CABBI/BSD/MMG), James R. Eiszner Family Endowed Chair au département de chimie. « Les biofilms ont des canaux qui permettent le passage des nutriments et des informations sous forme de signaux chimiques. Ils permettent également une diaphonie entre les colonies en cas de menace ou de stress dans l’environnement. »
La formation de biofilm et la résistance subséquente aux antibiotiques peuvent être particulièrement dangereuses pour les personnes dont l’immunité est affaiblie ou atteintes de maladies comme la fibrose kystique (FK), ce qui entraîne une surface de mucus stagnante à l’intérieur des poumons à laquelle les bactéries peuvent s’attacher plus facilement. Pour mieux comprendre quels facteurs de surface influencent ou inhibent potentiellement la formation de biofilm en présence d’antibiotiques, des chercheurs du laboratoire Sweedler de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ainsi que des collaborateurs de l’Université de Notre Dame, ont mesuré le taux de formation de biofilm via QS dans une bactérie communément acquise dans les infections hospitalières, Pseudomonas aeruginosa.
P. aeruginosa forme rapidement des biofilms sur diverses surfaces, ce qui accélère le moment où les colonies commencent à communiquer à l’aide de QS et rend difficile le traitement aux antibiotiques. De plus, P. aeruginosa peut varier dans l’épaisseur du biofilm qu’il produit. La souche « mucoïde » produit un biofilm plus épais que la souche non mucoïde et est souvent liée à des infections chez les patients atteints de mucoviscidose, une maladie génétique qui augmente la viscosité du mucus et son accumulation dans les poumons.
Dans l’étude, ces deux souches ont été cultivées sur des surfaces fabriquées dont la structure variait, l’une étant uniforme ou « sans motif », et l’autre étant « à motifs » avec des blocs striés. Les chercheurs ont ensuite mesuré la rapidité avec laquelle les colonies ont pu commencer à communiquer avec QS tout en étant cultivées en présence d’antibiotiques ou non. Le QS a été détecté à l’aide de la spectrométrie de masse et de l’imagerie Raman, qui ont mesuré la présence de molécules de signalisation associées au comportement.
La première chose que les chercheurs ont remarquée était que les antibiotiques ralentissaient la croissance d’un biofilm et la production de molécules QS à travers les souches et les types de structure. Ensuite, les chercheurs ont découvert que le type de surface avait un effet important sur la souche non mucoïde, en ce sens que la structure à motifs était associée à des latences plus longues avant que l’expression des molécules QS n’atteigne son apogée. Ce n’était pas le cas pour la souche mucoïde plus épaisse.
« Bien que l’impact de l’antibiotique ralentissant la croissance du biofilm ne nous ait pas surpris, l’impact important et différentiel sur la structure de surface était frappant », a déclaré Sweedler.
« Dans la souche non mucoïde, la structuration de la surface a eu un impact énorme sur les propriétés du signal QS », a ajouté Parmar. « Dans le cas du mucoïde, la structure de surface a eu un impact très minime sur ses signatures métaboliques. »
Les chercheurs ont également exploré comment la distribution des molécules de signalisation QS différait entre les différentes parties du biofilm lorsqu’elles étaient cultivées sur une surface plane et exposées à des antibiotiques. Des échantillons ont été prélevés sur le « biofilm statique », où le biofilm se fixe à la surface, le « surnageant » ou milieu liquide de la culture, et le « biofilm pelliculaire », qui se forme au-dessus du milieu liquide et interagit avec l’air .
Les chercheurs ont découvert que les biofilms liquides et pelliculaires surnageants contenaient des molécules de signalisation associées à une réponse au stress, tandis que le biofilm statique ne contenait pas ces molécules. Les chercheurs pensent que c’est parce que le composant liquide du biofilm est ce qui permet aux bactéries de flotter et de créer de nouvelles colonies ailleurs, mais dans le processus, les bactéries sont également exposées à des situations menaçantes, telles que la présence d’antibiotiques.
En comparant le comportement du QS pendant la croissance du biofilm à travers ces différents traitements, les chercheurs peuvent mieux comprendre comment et quel type de molécules cette espèce de bactérie utilise, et obtenir de nouvelles informations sur la croissance bactérienne.
« Le biofilm de P. aeruginosa est assez difficile à éradiquer à l’aide d’antibiotiques actuellement disponibles, et notre objectif avec cette étude était donc de comprendre quels sont les facteurs qui régissent la croissance et la stabilité de ces biofilms, et comment les bactéries échappent à ces structures de biofilm pour coloniser de nouveaux emplacements. « , a expliqué Parmar.
« Les approches et les techniques analytiques riches en informations chimiques que nous avons utilisées nous ont permis de sonder ces événements moléculaires complexes liés à la formation de biofilms dans l’espace et dans le temps », a expliqué Sweedler.
L’équipe affirme que la prochaine étape consiste à utiliser ces techniques analytiques optimisées pour mesurer les signaux QS sur des tranches de poumon de rats, au lieu de structures fabriquées comme celles utilisées dans l’étude actuelle. Étant donné que P. aeruginosa est souvent associée à des infections pulmonaires chez les patients atteints de mucoviscidose, comprendre comment il forme des biofilms dans les poumons peut aider les scientifiques à concevoir des méthodes pour ralentir ou empêcher la croissance des bactéries chez ces patients.
Parmar a décrit une future application potentielle pourrait être de concevoir des surfaces de dispositifs médicaux pour empêcher l’adhésion bactérienne et la formation de biofilm. Ces résultats pourraient également être utilisés pour aider à prévenir l’encrassement biologique, c’est-à-dire lorsque les bactéries gâtent ou dégradent les produits et les surfaces biologiques.
Le papier est publié dans SCA Maladies infectieuses.
Plus d’information:
Jin Jia et al, Effet de la mucine à micro-motifs sur les profils de quinolone et de rhamnolipides de Pseudomonas aeruginosa mucoïde sous stress antibiotique, SCA Maladies infectieuses (2022). DOI : 10.1021/acsinfecdis.2c00519