La plaque dentaire, les bactéries intestinales et l’éclat glissant des roches des rivières sont autant d’exemples de biofilms, de communautés organisées de micro-organismes qui colonisent notre corps et le monde qui nous entoure. Une étude récente menée par des chercheurs de Penn State révèle exactement comment les biofilms en croissance façonnent leur environnement et ajustent leur architecture interne pour s’adapter à leur environnement. Les résultats pourraient avoir des implications pour une grande variété d’applications, allant de la lutte contre les maladies à la conception de nouveaux types de matériaux actifs vivants.
« Dans le cas des bactéries, elles se développent, se divisent et appliquent des forces les unes aux autres ainsi qu’à leur environnement », a déclaré Sulin Zhang, professeur de sciences de l’ingénieur et de mécanique et de génie biomédical à Penn State et auteur correspondant d’un article sur la découverte, récemment publié dans la revue Physique naturelle.
« En tant que telles, les bactéries en croissance ont le potentiel de façonner l’environnement, en modifiant l’environnement dans lequel elles vivent. Nous souhaitions donc comprendre les interactions réciproques entre le biofilm en croissance et l’environnement dans lequel il se développe. »
Zhang a collaboré avec une équipe interdisciplinaire de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et de Yale pour étudier cette interaction sur tous les fronts : théoriquement, expérimentalement et informatiquement. Les chercheurs ont utilisé des biofilms créés par Vibrio cholerae, qui peut provoquer le choléra, comme système modèle pour démontrer la capacité d’auto-formation et d’auto-organisation d’un système de culture en 3D.
Un enregistrement microscopique, via une technique appelée z-scan, d’un biofilm cultivé sous un gel d’agarose à 2% pendant 20 heures. La hauteur totale numérisée dans la vidéo est de 10,4 μm. La barre d’échelle est de 10 μm. Crédit : Jing Yan
Dans la nature, les biofilms ont tendance à se développer dans des espaces restreints et confinés, a expliqué Zhang. L’équipe a donc développé le biofilm entre un hydrogel souple et un substrat de verre rigide. Ils ont analysé le biofilm en croissance à l’aide de l’imagerie unicellulaire, de simulations basées sur des agents et de la théorie de la mécanique des continus.
Les chercheurs ont découvert que les biofilms se façonnent eux-mêmes et forment leurs limites en une formation efficace connue sous le nom de « nématiques actives », l’agencement de molécules autopropulsées en lignes parallèles au lieu de couches.
« Nous avons découvert que les biofilms profitent des stress induits par la croissance pour façonner leur environnement et créer une structure nématique », a déclaré Jing Yan, professeur adjoint de biologie moléculaire, cellulaire et du développement à l’Université de Yale et co-auteur de l’article. « Cela nous rapproche beaucoup de la capacité de contrôler la morphologie, l’emballage et l’ordre du biofilm. »
Zhang a expliqué que comprendre la boucle de rétroaction entre la croissance du biofilm, le stress généré par la croissance et son environnement pourrait ouvrir la voie à une croissance contrôlée des biofilms bénéfiques, à l’élimination des biofilms nocifs et même au développement potentiel de nouvelles classes de matériaux de culture actifs capables de répondre à – et modifient activement – leur environnement.
Yan a ajouté qu’il s’agit d’informations particulièrement précieuses dans le domaine des soins de santé. Les biofilms jouent un rôle important dans la croissance des maladies chez les humains et les animaux, car ils peuvent échapper à la réponse immunitaire. La nature coordonnée des biofilms bactériens les rend très résistants aux antibiotiques conventionnels et sont donc extrêmement difficiles à traiter. En fait, la majorité des infections chroniques résistantes aux antibiotiques sont causée par les biofilmsselon la Société américaine de microbiologie.
« Lorsque les bactéries pénètrent dans le corps, elles se transforment en infection sous forme de biofilms et se trouvent dans un environnement confiné : votre intestin », a déclaré Yan.
Une meilleure compréhension de la manière dont les maladies provoquées par les biofilms peuvent se développer dans un tel environnement permettra aux chercheurs de développer de nouvelles façons de perturber cette croissance, a-t-il ajouté.
« Ce que nous avons appris aidera à développer des stratégies pour lutter contre ces infections », a déclaré Changhao Li, doctorant en mécanique informatique à Penn State et co-auteur de l’article. « Les phénomènes découverts ici pourraient conduire à de nouvelles stratégies pour supprimer la croissance de biofilms nocifs et nous donner la possibilité de concevoir et de programmer des biofilms bénéfiques. »
Plus d’information:
Japinder Nijjer et al, Les biofilms comme nématiques en croissance auto-façonnés, Physique naturelle (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02221-1