Compréhension fondamentale des différents mécanismes d'adhésion des bactéries

 Pourquoi les germes hospitaliers se lient-ils plus fortement à certaines surfaces qu'à d'autres? Source EurekAlert.

Les bactéries multirésistantes sont un problème sérieux dans les environnements hospitaliers et de soins de santé. En formant un biofilm, ces agents pathogènes peuvent coloniser les poignées de porte et les interrupteurs d'éclairage et leur présence sur les implants médicaux peut entraîner de graves cas d'infection postopératoire. Une équipe de physiciens de l'Université de la Sarre a maintenant montré pourquoi les germes des hôpitaux adhèrent fortement aux surfaces d'où l'eau s'écoule tout simplement, mais se lient si mal aux surfaces facilement mouillées par l'eau.

Principe du mécanisme d'adhésion de la bactérie Staphylococcus aureus sur des surfaces hydrofuges et hydrophobes (à gauche) par rapport aux surfaces hydrophiles attirant l'eau (à droite). Alors que sur la gauche, de nombreuses molécules de la paroi cellulaire (représentées ici sous forme de plumes) sont responsables de l'adhérence, il y en a relativement peu sur la droite. À cette fin, l'équipe de physiciens de Sarrebruck a reproduit des courbes expérimentales force-distance dans des simulations.

Compréhension fondamentale des différents mécanismes d'adhésion des bactéries Source communiqué de l’Université de la Sarre.

Les bactéries multi-résistantes sont une menace constante dans les hôpitaux. Là, ils peuvent coloniser les poignées de porte et les interrupteurs d'éclairage, par exemple, et entraîner de graves infections sur les implants. Une équipe de physique de l'Université de la Sarre a maintenant montré pourquoi les germes hospitaliers adhèrent particulièrement bien aux matériaux d'où l'eau perle et particulièrement mal aux surfaces mouillées par l'eau.

Ces résultats de recherche issus de la physique expérimentale et théorique peuvent aider à améliorer les surfaces antibactériennes. Ils ont été publiés dans le célèbre revue de recherche Nanoscale.

La bactérie Staphylococcus aureus est l'une des causes les plus courantes d'infections que les patients contractent lors d'un séjour à l'hôpital. Les pathogènes sont particulièrement redoutés car ils peuvent former des biofilms robustes sur des surfaces naturelles et artificielles difficiles à éliminer. « Les bactéries individuelles de ces biofilms sont elles-mêmes bien protégées des antibiotiques et du système immunitaire humain. C'est pourquoi il est si dangereux, par exemple, qu'ils se déposent sur des implants et y provoquent des infections après une opération », explique Karin Jacobs, professeur de physique expérimentale à l'Université de la Sarre. Il est donc important de prévenir la formation de biofilms dès le départ.

Pour ce faire, les chercheurs de Sarrebruck ont d’abord dû comprendre les mécanismes par lesquels les bactéries adhèrent à divers matériaux. À l'aide d'un microscope à force atomique, ils ont pressé les minuscules cellules bactériennes sur diverses surfaces et ont déterminé la force nécessaire pour détacher à nouveau les cellules. Des courbes dites force-distance ont été enregistrées dans les expériences. « Nous avons utilisé des surfaces de silicium extrêmement lisses comme surfaces modèles, qui ont été préparées une fois pour qu'elles puissent être bien mouillées par l'eau et une fois pour qu'elles soient hydrofuges. Il s'est avéré que les cellules adhèrent beaucoup plus fortement aux surfaces hydrophobes, c'est-à-dire à celles qui repoussent l'eau, qu'aux surfaces hydrophiles et facilement mouillables », explique Karin Jacobs. Mais pas seulement les forces adhésives, mais aussi les formes des courbes force-distance diffèrent fondamentalement entre les deux surfaces (voir illustration). Sur les surfaces hydrophobes, on obtient des courbes très lisses avec une «forme de coupe» caractéristique. D'autre part, les surfaces hydrophiles présentent des formes de courbes individuelles avec de nombreux «bords dentelés».

Afin de comprendre ces résultats expérimentaux, le groupe de Ludger Santen, professeur de physique théorique à l'Université de la Sarre, a réalisé des simulations de Monte Carlo à l'aide desquelles la dynamique de systèmes complexes peut être modélisée. Le modèle décrit la bactérie comme une sphère rigide et les molécules de la paroi cellulaire à la surface comme de petites plumes. « Afin de décrire correctement les expériences, il est plus important de considérer la composante aléatoire dans la liaison à la surface que d'augmenter la complexité du modèle théorique. Nous avons découvert pourquoi les bactéries se comportent si différemment selon la surface: de nombreuses molécules de la paroi cellulaire adhèrent à des matériaux hydrofuges, ce qui dans l'ensemble conduit à une forte adhérence et à une forme uniformément lisse des courbes force-distance », explique Ludger Santen. En revanche, seules quelques molécules se sont collées sur les surfaces hydrophiles, la cellule n'a donc pas bien adhéré et la forme de la courbe est devenue moins uniforme. « Cette forme de courbe irrégulière est causée par quelques molécules de paroi cellulaire individuelles qui se détachent individuellement de la surface. En conséquence, les bactéries dans leur ensemble ne peuvent pas adhérer à la surface du matériau hydrophile », explique Erik Maikranz, qui a réalisé les simulations dans le cadre de sa thèse. « En conséquence, les bactéries dans leur ensemble ne peuvent pas adhérer à la surface du matériau hydrophile », explique Erik Maikranz, qui a réalisé les simulations dans le cadre de sa thèse de doctorat, molécules individuelles de la paroi cellulaire qui se détachent individuellement de la surface.

Les physiciens ont pu identifier diverses interactions et une soi-disant barrière potentielle associée comme raison du nombre différent de molécules de paroi cellulaire adhérentes. »Si la barrière potentielle sur les surfaces hydrophiles est comparativement élevée et ne peut être surmontée que par quelques molécules dans un certain temps, elle est négligeable sur les surfaces hydrophobes, de sorte qu'un grand nombre de molécules peuvent adhérer directement », explique Christian Spengler, docteur en physique.

La recherche a été menée dans le cadre d'un domaine de recherche spécial de la Fondation allemande pour la recherche (SFB 1027), consacré au thème « Modélisation physique des processus de non-équilibre dans les systèmes biologiques ».

Publication originale

E. Maikranz, C. Spengler, N. Thewes, A. Thewes, F. Nolle, M. Bischoff, L. Santen et K. Jacobs, «Différents mécanismes de liaison de Staphylococcus aureus aux surfaces hydrophobes et hydrophiles». Nanoscale (2020).