Les bactéries forment des biofilms comme les nouveaux arrivants forment des villes

L'urbanisation fournit une analogie efficace sur la façon dont les biofilms se développent à partir de bactéries individuelles (Image Amauri J. Paula). Cliquez sur l'image pour l'agrandir.

« Les bactéries forment des biofilms comme les nouveaux arrivants forment des villes », source article de Katherine Unger Baillie, Universityof Pennsylvania.

Les microbiologistes ont depuis longtemps adopté le langage des colonies humaines pour décrire comment les bactéries vivent et se développent : elles « envahissent » et « colonisent ». Les relations vivant à proximité sont des « colonies ».

En associant la technologie d'imagerie super-résolution à un algorithme de calcul, une nouvelle étude parue dans Nature Communications confirme que cette métaphore est plus appropriée que les scientifiques ne l'ont peut-être réalisé. Les résultats montrent que, comme les bactéries individuelles se multiplient et se développent en un biofilm dense et collant, comme la communauté qui forme la plaque dentaire, leurs schémas de croissance et leur dynamique reflètent ceux observés dans la croissance des villes.

« Nous adoptons cette vision ‘au niveau satellite’, à la suite de centaines de bactéries distribuées sur une surface depuis leur colonisation initiale jusqu'à la formation d'un biofilm », explique Hyun (Michel) Koo, professeur à la Penn's School of Dental Medicine et auteur principal de l’étude. « Et ce que nous voyons, c'est que, remarquablement, les caractéristiques spatiales et structurelles de leur croissance sont analogues à ce que nous voyons dans l'urbanisation. »

Cette nouvelle perspective sur la croissance des biofilms pourrait contribuer à éclairer les efforts visant soit à promouvoir la croissance de microbes bénéfiques, soit à briser et à tuer les biofilms indésirables grâce à la thérapeutique.

L'idée de la recherche est née des conversations entre Koo; Geelsu Hwang, professeur adjoint de Penn Dental Medicine qui applique l'ingénierie aux problèmes de santé bucco-dentaire; et Amauri Paula, un physicien qui a travaillé comme professeur invité au laboratoire de Koo.

« Habituellement, lorsque des scientifiques étudient les biofilms, ils analysent une seule cellule dans un champ de vision étroit à mesure qu'elle se multiplie, cela devient un cluster puis le biofilm commence à se constituer », explique Koo. « Mais nous nous sommes demandé si nous suivions plusieurs cellules individuelles simultanément et si nous pouvions identifier certains modèles à grande échelle. »

Hwang a développé de puissants outils d'imagerie time-lapse, utilisant la microscopie confocale à balayage laser capable d'analyser la topographie de surface et de suivre les bactéries qui peuplent une surface jusqu'à la cellule individuelle en trois dimensions dans le temps. Pendant ce temps, Paula a travaillé à construire un algorithme qui pourrait analyser le comportement de cette croissance au fil du temps.

Pour leur étude, ils ont utilisé le microorganisme Streptococcus mutans, un pathogène oral responsable de provoquer des caries lorsqu'il forme un biofilm plus communément appelé plaque dentaire et libère des acides qui dégradent l'émail des dents.

Ils ont distribué les bactéries sur un matériau semblable à l'émail des dents et ont suivi des centaines de microorganismes individuels pendant plusieurs heures alors qu'ils se divisaient et grandissaient.

Dans l'ensemble, les schémas de croissance rappellent la formation de zones urbaines, a constaté l'équipe. Certains « colons » individuels se sont développés, s'étendant dans des « villages » avec de petites bactéries. Puis, au fur et à mesure que les limites des villages augmentaient et, dans certains cas, se réunissaient, ils se sont joints pour former de plus grands villages et finalement des « villes ». Certaines de ces villes ont ensuite fusionné pour former de plus grandes « mégapoles ».

Surprenant les chercheurs, leurs résultats ont montré que seul un sous-ensemble de bactéries se développait. « Nous pensions que la majorité des bactéries individuelles finiraient par croître », explique Koo. « Mais le nombre réel était inférieur à 40%, le reste mourant ou étant englouti par la croissance d'autres microcolonies. »

Ils ne s'attendaient pas non plus à un manque d'inhibition lors de cet engloutissement. Ils pensaient que, à mesure que différentes microcolonies se rencontraient, elles pourraient rivaliser, provoquant peut-être la répulsion des deux bords.

« Au lieu de cela, elles fusionnent et commencent à se développer comme une seule unité », explique Koo.

À la fois sur les bactéries individuelles et à l'échelle du biofilm, les chercheurs ont confirmé que la sécrétion semblable à une colle connue sous le nom de substances polymères extracellulaires (SPE) permettait aux bactéries de s'assembler étroitement et fermement au sein dun biofilm. Lorsqu'ils ont introduit une enzyme qui a digéré les SPE, les communautés se sont dissoutes et sont retournées à une collection de bactéries individuelles.

« Sans les SPE, ils perdent la capacité de se regrouper et de former ces ‘villes’ de manière dense », explique Koo.

Enfin, les chercheurs ont expérimenté pour voir comment l'ajout d'un « ami » ou « ennemi » microbien influencerait la croissance des bactéries d'origine. « L'ennemi » était Streptococcus oralis, une bactérie qui peut inhiber la croissance de S. mutans. Cet ajout a considérablement réduit la capacité de S. mutans à former de plus grandes « villes », comme des voisins perturbateurs qui peuvent affecter la croissance collective de la communauté.

L’« ami », la levure Candida albicans, que Koo et d'autres ont trouvé pour interagir avec S. mutans dans les biofilms et contribuer à la carie dentaire, n'a pas affecté le taux de croissance du biofilm mais a aidé à combler les microcolonies adjacentes, permettant le développement de plus grandes microcolonies « villes ».

Koo met en garde contre l'idée de pousser trop loin la métaphore de l'urbanisation de la croissance des biofilms, mais souligne les leçons utiles qui peuvent résulter de l'étude holistique du système et en examinant les événements sous des vues à la fois « rapprochées » et « à vol d'oiseau ».

« C'est une analogie utile, mais il faut en prendre et en laisser », dit Koo. « Nous ne disons pas que ces bactéries sont anthropomorphes. Mais cette perspective de la croissance des biofilms nous donne une image multidimensionnelle et multidimensionnelle de leur croissance que nous n'avons jamais vue auparavant. »