Plusieurs milliards de bactéries envahissent de nouveaux territoires sans embouteillage. Nous savons maintenant comment. Un remake du lièvre et la tortue

Simulation informatique de la compétition bactérienne. Les bactéries rapides (vertes) se coincent dans des structures ressemblant à des rosettes et s'arrêtent, tandis que les bactéries lentes continuent de bouger. Crédit: Oliver J. Meacock et William Durham.

« Des colonies bactériennes de plusieurs milliards envahissent de nouveaux territoires sans embouteillage - nous savons maintenant comment », source Niels Bohr Institute de l'Universisté de Copenhague.

Biophysique: Une collaboration internationale entre des chercheurs de l'Institut Niels Bohr, de l'Université de Copenhague, de l'Université d'Oxford et de l'Université de Sheffield a révélé que les colonies de bactéries à déplacement lent peuvent se développer beaucoup plus rapidement que leurs homologues à déplacement rapide. Le résultat est désormais publié dans Nature Physics.

Les chercheurs ont combiné la génétique, les expériences, les algorithmes d'analyse d'images personnalisés et la physique théorique pour étudier l'efficacité de l'invasion bactérienne. Il s'est avéré que les bactéries se déplacent lentement et prudemment afin d'éviter les accidents et les embouteillages, ce qui les rend capables de se déplacer efficacement dans des foules denses et massives de plusieurs millions d'individus. Le résultat peut avoir des implications sur la façon dont nous traitons les infections dans un avenir où les super bactéries, immunisées aux antibiotiques, constituent une menace pour la santé humaine. 

Les bactéries pathogènes, Pseudomonas ariginosa, se déplacent en saisissant les surfaces avec de minuscules pieds appelés pili. Les chercheurs d'Oxford Zoology et de l'Université de Sheffield ont mis en place une expérience dans laquelle ils ont modifié les bactéries individuelles en ajoutant simplement le nombre de pieds. Aucune autre fonctionnalité ou propriété n'a été modifiée. Les bactéries individuelles étaient désormais capables de se déplacer environ deux fois plus vite qu’auparavant, et les chercheurs se sont demandé si cette amélioration des capacités de l’individu améliorerait également la capacité de la population à envahir de nouveaux territoires. «Nous voulions comprendre le comportement des bactéries, à la fois au niveau individuel et au niveau collectif», explique Amin Doostmohammadi de l'Institut Niels Bohr.

Les bactéries pathogènes, Pseudomonas ariginosa, se déplacent en saisissant les surfaces avec de minuscules pieds appelés pili. Les chercheurs d'Oxford Zoology et de l'Université de Sheffield ont mis en place une expérience dans laquelle ils ont modifié les bactéries individuelles en ajoutant simplement le nombre de pieds. Aucune autre fonctionnalité ou propriété n'a été modifiée. Les bactéries individuelles étaient désormais capables de se déplacer environ deux fois plus vite qu’auparavant, et les chercheurs se sont demandé si cette amélioration des capacités de l’individu améliorerait également la capacité de la population à envahir de nouveaux territoires. «Nous voulions comprendre le comportement des bactéries, à la fois au niveau individuel et au niveau collectif», explique Amin Doostmohammadi de l'Institut Niels Bohr.

La tortue bat le lièvre, encore

Les chercheurs ont littéralement fait une course entre les colonies à déplacement rapide et les colonies à déplacement lent, et de manière très contre-intuitive, la population génétiquement améliorée et rapide a été dépassée par la population de bactéries de type sauvage se déplaçant plus lentement. Au début, la population rapide était en avance, mais elle a été, en l'espace de quelques heures, dépassée par la population sauvage plus lente mais apparemment plus efficace. Les chercheurs ont également mis les deux différents types de bactéries ensemble, pour les faire entrer en compétition directement, et encore une fois, la population de bactéries de type sauvage se déplaçant plus lentement a fini par être meilleure pour élargir sa population. «Nous constatons qu'un mutant qui produit un plus grand nombre de pili pouvait se déplacer plus rapidement que le type sauvage à un niveau individuel, mais dans les grands groupes, ils avaient tendance à s'écraser les uns sur les autres à grande vitesse. Ces collisions font pivoter les cellules mutantes verticalement et les emprisonnent en place. En conséquence, les cellules de type sauvage qui se déplacent plus lentement peuvent les dépasser et finalement gagner la course vers un nouveau territoire.»

La physique de base est en jeu dans une colonie de bactéries

En caractérisant l'orientation des bactéries, les chercheurs ont découvert que les collisions ont lieu à des endroits spécifiques: des points singuliers dans l'alignement cellulaire sous la forme de structures ressemblant à des asters qui sont connues sous le nom de défauts topologiques +1 en physique. «Compte tenu de l'importance de la biologie dans la machinerie des bactéries et de leur comportement, il est frappant que nous ayons pu recréer presque exactement les mêmes modèles en utilisant des principes de physique de base et en les modélisant dans un ordinateur. En d'autres termes, les bactéries obéissent à un principe physique simple qui limite leur allure en tant qu'individus, mais permet tout de même une invasion très efficace d'une colonie. L'évolution semble avoir imposé une limite de vitesse fondamentale aux bactéries: si elles se déplacent plus vite que certaines quantités, elles se heurtent et se retrouvent piégées dans des structures de leur propre création».

Les infections peuvent à l'avenir être traitées autrement que par des antibiotiques

Le contrôle d'une infection signifie généralement ajouter un médicament à la colonie de bactéries pour influencer les bactéries individuelles - ralentir ou tuer les individus dans une population avec des antibiotiques, mais la nouvelle découverte surprenante semble montrer que l'accélération du rythme de la foule de bactéries peut en fait provoquer l'autodestruction de l'infection. Si la population bactérienne, par l'évolution, a résolu le problème du surpeuplement en gagnant un nouveau territoire à une vitesse très spécifique, si vous montez ensuite le cadran de vitesse, l'infection «se plante» et s'éteint. «Du point de vue de la physique, nous pouvons être en mesure de dire quelle propriété exactement nous devons contrôler dans une population de bactéries, et du point de vue génétique, ils (les biologistes) peuvent dire 'nous savons comment contrôler cela', puis nous pouvons passer à autre chose. faire cela. C'est une toute nouvelle façon de penser, reliant entre eux différents domaines d'expertise. Comprendre comment contrôler la foule, plutôt que l'individu infecté, nous l'espérons, conduira à de nouvelles stratégies pour contrôler les infections à l'avenir», dit Amin Doostmohammadi.

L'interdisciplinarité a été la clé du succès de l'expérience

Il était impossible de faire ce travail sans une discussion croisée continue entre les chercheurs de différents domaines: l'expertise en modifications génétiques, en analyse d'images et en écologie bactérienne du Dr Oliver Meacock et le Dr William Durham à Sheffield, et le professeur Kevin Foster à Oxford Zoology, ont été combinés avec l'expertise théorique sur les défauts topologiques du professeur en physique, Julia Yeomans d'Oxford et du Dr Amin Doostmohamamdi du Niels Bohr Institute pour découvrir et expliquer un phénomène contre-intuitif de la façon dont la nature a favorisé les individus lents pour former des collectifs rapides.