Phages et bactéries : une guerre au sein du biofilm

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« Phage and bacteria: a war in a biofilm » (Phages et bactéries : une guerre au sein du biofilm), par Nicola Stanley-Wall, Université de Dundee, UK. Article paru dans le bulletin de septembre 2019 de la Society for Applied Microbiology.

Il est clair que les bactéries et les phages coexistent dans de nombreux environnements complexes et variés. Cependant, il n'est peut-être pas toujours évident de savoir qui gagnera la partie quand survient une interaction. Pour ajouter à la complexité, des travaux récents ont montré que les bactéries peuvent faire pencher la balance pour survivre en présence d'un phage prédateur lorsqu'elles forment des biofilms. C'est le changement de mode de vie qui assure la protection, pas la génétique.

Les biofilms sont des communautés structurées de micro-organismes attachés à une surface et enfermés dans une matrice extracellulaire autoproduite. La matrice du biofilm est de nature dynamique et remplit de multiples fonctions pour la communauté sessile. Cela inclut la séquestration des nutriments et l’absorption d’eau, protégeant les cellules résidentes du stress environnemental et de la compétition et servant de facilitateur de signalisation pour les cellules à la fois à l’intérieur et à l'extérieur du biofilm. Les recherches menées au cours des 10-15 dernières années ont montré qu'il existe une grande diversité dans la composition de la matrice des biofilms, à la fois entre biofilms polymicrobiens et entre biofilms monospécifiques; cependant, des composants les plus courants apparaissent. Ceux-ci comprennent les polysaccharides, l'ADN extracellulaire, les lipides et les protéines, dont certaines sont de nature fibreuse.

De plus en plus de preuves suggèrent qu’au moins une protéine fibrogène, qui confère une intégrité structurelle au biofilm, peut en outre offrir une protection aux bactéries résidentes contre la prédation par le phage.

La matrice du biofilm du biofilm de Escherichia coli s'est récemment avérée séquestrer et empêcher la diffusion d'un phage T7 lytique prédateur. En utilisant une série de souches bactériennes, il a été montré que la protection offerte par le biofilm dépendait de ‘curli’, fibres de protéines retrouvées dans la matrice extracellulaire. Les fibres de curli fabriquées par E. coli ont d'abord été visualisées par microscopie électronique à transmission et ont été rapidement remarquées pour leur haut niveau d'insolubilité et leur résistance aux protéases. La production de curli dépend de la réponse des cellules à une pénurie de nutriments, ce qui peut se produire dans un biofilm multicouches en raison de la stratification des cellules par rapport à une source de nutriments.

L’analyse microscopique a montré que les cellules de E. coli affamées deviennent fortement ‘curlées’; en substance, les fibres de protéines forment un réseau de ‘paniers moulés’ dans tout l’espace intercellulaire. C'est ce réseau de protéines qui structure la communauté bactérienne, élément du biofilm essentiel à la protection des cellules contre le phage lytique. Les fibres de curli fonctionnent de deux manières.

Premièrement, elles rassemblent les cellules du biofilm dans une structure étroitement liée. Cela empêche physiquement le phage d'entrer dans le biofilm. Cependant, le curli peut également se lier au phage, ce qui limite la mobilité du phage par séquestration. La conséquence est que les phages ne peuvent pas atteindre les cellules à l'intérieur de la communauté. Le résultat de cette interaction complexe phage-bactérie a été révélé par l'utilisation de la microscopie à haute résolution de biofilms vivants. Cela a permis de suivre la communauté des phages T7 et des bactéries dans l'espace et dans le temps. Il sera maintenant intéressant de voir s'il existe d'autres moyens de manipuler le résultat d'une interaction entre le phage et les bactéries. Les mécanismes connus sont susceptibles de se diversifier à mesure que l'étude des interactions bactéries-phages et les méthodes selon lesquelles l'analyse est conduite continuent de croître.

Références

Erskine E, Morris RJ, Schor M, Earl C, Gillespie RMC, Bromley KM et al. Formation of functional, non-amyloidogenic fibres by recombinant Bacillus subtilis TasA. Molecular Microbiology 2018; 110(6), 897–913.

Serra DO, Richter AM, Klauck G, Mika F, Hengge R. Microanatomy at cellular resolution and spatial order of physiological differentiation in a bacterial biofilm. mBio 2013; 4(2), e00103-00113.

Vidakovic L, Singh PK, Hartmann R, Nadell CD, Drescher K. Dynamic biofilm architecture confers individual and collective mechanisms of viral protection. Nature Microbiology 2018; 3(1), 26–31.

Légende de l’image

A droite, vue en microscopie électronique d’un bactériophage attaché à une cellule bactérienne. Le virus a la taille et la forme d’un coliphage T1; à gauche, biofilm de Staphylococcus aureus.