Pendant des années, les auteurs de science-fiction ont écrit sur l’idée d’utiliser des micro-nageurs qui pourraient effectuer des interventions chirurgicales ou délivrer des médicaments aux humains. Maintenant, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities a découvert comment les bactéries nagent dans différents fluides et environnements complexes, tels que le corps humain.
Leurs découvertes pourraient aider les scientifiques à développer de nouveaux traitements pour les maladies causées par des bactéries et à concevoir des systèmes à base de bactéries pour administrer des médicaments dans le corps humain.
L’étude est publiée dans Nature.
L’Université du Minnesota a une longue histoire de nage dans des fluides autres que l’eau. En 2004, Ed Cussler, alors professeur au Département de génie chimique et des sciences des matériaux, a comparé la vitesse à laquelle un athlète universitaire de compétition nageait dans l’eau par rapport à une solution épaisse et sirupeuse de gomme de guar. Cela a conduit à une découverte inattendue (et à un prix IgNobel) que les humains peuvent nager aussi vite dans des solutions de gomme de guar que dans l’eau.
Près de deux décennies plus tard, une équipe multidisciplinaire de l’Université du Minnesota a revisité le problème, sauf que les nageurs sont maintenant des bactéries microscopiques au lieu d’athlètes universitaires. Ils ont découvert que les bactéries nagent encore plus vite dans des solutions épaisses que dans l’eau.
La « nage bactérienne », comme on l’appelle communément dans la communauté des chercheurs, a été étudiée de manière intensive par les scientifiques depuis les années 1960. Des études antérieures ont montré que les bactéries nagent plus rapidement dans des solutions polymères épaisses, à savoir des fluides contenant des polymères, qui sont des substances constituées de molécules à longue chaîne. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que c’est parce que les bactéries peuvent nager à travers le réseau formé par les molécules de la chaîne et peuvent étirer les chaînes pour faciliter leur propulsion.
Regardez une vidéo montrant comment les bactéries se déplacent dans des fluides complexes.
Cependant, dans cette nouvelle étude, l’équipe de l’U de M a étudié pour la première fois comment les bactéries se déplacent à travers des solutions de petites particules solides, au lieu de molécules en chaîne. Malgré de grandes différences dans la dynamique des polymères et des particules, ils ont découvert que les bactéries nageaient toujours plus vite, ce qui suggère qu’il doit y avoir une explication différente de la façon dont les bactéries se déplacent dans des fluides épais et complexes.
Les chercheurs de l’U de M ont une réponse possible. Ils croient que lorsque les bactéries nagent, la traînée créée par le passage des particules permet à leurs flagelles – ou les bactéries « queues » ont cette rotation afin de les propulser vers l’avant – de mieux s’aligner avec leur corps, les aidant finalement à se déplacer plus rapidement.
« Les gens ont été fascinés par la nage des bactéries depuis l’invention des microscopes au 17ème siècle, mais jusqu’à présent, la compréhension était principalement limitée à de simples liquides comme l’eau », a expliqué Shashank Kamdar, auteur principal de l’article et une université de Étudiant diplômé en génie chimique du Minnesota. « Mais la question de savoir comment les bactéries se déplacent dans des situations réelles, comme à travers le sol et les fluides dans leurs propres habitats, reste une question ouverte. »
Comprendre comment les bactéries se déplacent dans des environnements complexes et visqueux – le corps humain en étant un – peut aider les scientifiques à concevoir des traitements contre les maladies et même à utiliser les bactéries comme vaisseaux pour administrer des médicaments aux humains.
« Il existe plusieurs mécanismes que les gens ont utilisés pour expliquer ce phénomène au fil des décennies, mais avec cette étude, nous fournissons une compréhension unifiée de ce qui se passe lorsque les bactéries nagent à travers des solutions complexes », a déclaré Xiang Cheng, auteur principal de l’article et professeur agrégé. au Département de génie chimique et de science des matériaux de l’Université du Minnesota. « Et il est important de comprendre comment les bactéries se déplacent dans un environnement complexe. Par exemple, un certain type de bactérie provoque des ulcères d’estomac. La muqueuse de l’estomac est un environnement visqueux, il est donc important d’étudier comment les bactéries se déplacent dans ces environnements pour comprendre comment la maladie se propage. . »
« En fin de compte, nous devrions tous apprendre des bactéries », a ajouté Cheng. « Ils continuent d’avancer malgré l’opposition. »
Outre Cheng et Kamdar, l’équipe comprenait Lorraine Francis, professeur émérite du Collège des sciences et de l’ingénierie de l’Université du Minnesota et Chaire 3M en apprentissage expérientiel, et Seunghwan Shin, chercheur diplômé du Département de génie chimique et des sciences des matériaux ; et Premkumar Leishangthem et Xinliang Xu, chercheurs du Centre de recherche en sciences computationnelles de Pékin.
Xiang Cheng, La nature colloïdale des fluides complexes améliore la motilité bactérienne, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04509-3. www.nature.com/articles/s41586-022-04509-3