Une horloge de segmentation modélise la différenciation cellulaire dans un biofilm bactérien

«Des bactéries simples retrouvées pour s'organiser dans des modèles élaborés», source communiqué University of California San Diego.

Mécanisme génétique découvert qui permet aux communautés de cellules bactériennes de s'organiser en segments étonnamment sophistiqués, révélant une similitude avec la façon dont les plantes et les animaux se développent.

Une représentation artistique des cellules dans le processus d'horloge et de front d'onde, un modèle de développement sophistiqué mécanisme associé aux organismes multicellulaires. On pensait que les communautés d'organismes unicellulaires étaient dépourvues de motifs aussi sophistiqués. Crédit : Nicholas Wilson.

Au cours des dernières années, les recherches du laboratoire du biologiste Gürol Süel de l'Université de Californie à San Diego ont découvert une série de caractéristiques remarquables présentées par des groupes de bactéries qui vivent ensemble dans des communautés connues sous le nom de biofilms.

Les biofilms sont répandus dans le monde vivant, habitant les tuyaux d'égout, les plans de travail de cuisine et même à la surface de nos dents. Une étude de recherche précédente a démontré que ces biofilms utilisent des systèmes sophistiqués pour communiquer les uns avec les autres, tandis qu'une autre a prouvé que les biofilms ont une solide capacité de mémoire.

Le laboratoire de Süel, ainsi que des chercheurs de l'Université de Stanford et de l'Universitat Pompeu Fabra en Espagne, ont maintenant trouvé une caractéristique des biofilms qui révèlent ces communautés comme beaucoup plus avancées qu'on ne le croyait auparavant. L'étudiant diplômé en sciences biologiques, Kwang-Tao Chou, l'ancienne étudiante diplômée en sciences biologiques, Daisy Lee, Süel et leurs collègues ont découvert que les cellules du biofilm sont organisées selon des modèles élaborés, une caractéristique qui n'était auparavant associée qu'à des organismes de niveau supérieur tels que les plantes et les animaux. Les résultats, qui décrivent l'aboutissement de huit années de recherche, sont publiés le 6 janvier dans la revue Cell.

«Nous constatons que les biofilms sont beaucoup plus sophistiqués que nous ne le pensions», a déclaré Süel, professeur à l'UC San Diego dans la section de biologie moléculaire de la Division des sciences biologiques, avec des affiliations au San Diego Center for Systems Biology, BioCircuits Institute and Center pour l'Innovation du Microbiome. «D'un point de vue biologique, nos résultats suggèrent que le concept de structuration cellulaire au cours du développement est bien plus ancien qu'on ne le pensait auparavant. Apparemment, la capacité des cellules à se segmenter dans l'espace et le temps n'a pas seulement émergé avec les plantes et les vertébrés, mais peut remonter à plus d'un milliard d'années.

Les communautés de biofilms sont constituées de cellules de différents types. Les scientifiques n'avaient pas pensé auparavant que ces cellules disparates pouvaient être organisées en modèles complexes régulés. Pour la nouvelle étude, les scientifiques ont développé des expériences et un modèle mathématique qui ont révélé la base génétique d'un mécanisme «horloge et front d'onde», auparavant uniquement observé chez des organismes hautement évolués allant des plantes aux mouches des fruits en passant par les humains. Au fur et à mesure que le biofilm se développe et consomme des nutriments, une «vague» d'épuisement des nutriments se déplace à travers les cellules de la communauté bactérienne et gèle une horloge moléculaire à l'intérieur de chaque cellule à un moment et à une position spécifiques, créant un motif composite complexe de segments répétés de types cellulaires distincts.

La percée pour les chercheurs a été la capacité d'identifier le circuit génétique qui sous-tend la capacité du biofilm à générer les anneaux concentriques de modèles d'expression génique à l'échelle de la communauté du biofilm. Les chercheurs ont ensuite pu modéliser des prédictions montrant que les biofilms pouvaient générer intrinsèquement de nombreux segments.

«Notre découverte démontre que les biofilms bactériens utilisent un mécanisme de structuration du développement que l'on croyait jusqu'à présent exclusif aux vertébrés et aux systèmes végétaux», notent les auteurs dans l'article de Cell.

Les résultats de l'étude offrent des implications pour une multitude de domaines de recherche. Parce que les biofilms sont omniprésents dans nos vies, ils présentent un intérêt dans des applications allant de la médecine à l'industrie alimentaire et même à l'armée. Les biofilms en tant que systèmes capables de tester comment des systèmes cellulaires simples peuvent s'organiser en modèles complexes pourraient être utiles en biologie du développement pour étudier des aspects spécifiques du mécanisme d'horloge et de forme d'onde qui fonctionne chez les vertébrés, par exemple.

«Nous pouvons voir que les communautés bactériennes ne sont pas seulement des amas de cellules", a déclaré Süel, qui envisage des collaborations de recherche offrant des bactéries comme nouveaux paradigmes pour étudier les modèles de développement. «Avoir un système bactérien nous permet de fournir des réponses difficiles à obtenir dans les systèmes vertébrés et végétaux, car les bactéries offrent des systèmes plus accessibles expérimentalement qui pourraient fournir de nouvelles informations pour le domaine du développement.»

Des chercheurs de l'UC San Diego ont découvert que Bacillus subtilis, une bactérie présente dans le sol, crée des anneaux concentriques qui rappellent les «rayures» de développement créées par une horloge de segmentation. Les chercheurs ont découvert que les biofilms bactériens utilisent un processus d'horloge et de front d'onde pour la structuration cellulaire similaire à celui des plantes et des animaux. Crédit: Kwang-Tao Chou.

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