Dévoiler les secrets des biofilms grâce à une source lumineuse

Lorsque les bactéries s'unissent pour former des communautés, elles peuvent construire des structures complexes. La photo montre des biofilms de Bacillus subtilis de type sauvage. ©Liraz Chai/HUJI

«Dévoiler les secrets des biofilms avec la source lumineuse BESSY II», source Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

La plupa rt des bactéries ont la capacité de former des communautés. Ils forment des biofilms q ui adhèrent à une grande variété de surfaces et sont difficiles à enlever. Cela peut entraîner des problèmes majeurs, par exemple dans les hôpitaux ou dans l'industrie alimentaire. Une équipe internationale dirigée par l'Université hébraïque de Jérusalem et l'Université technique de Dresde a étudié un système modèle pour les biofilms avec la source de rayonnement synchrotron BESSY II au HZB et à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) de Grenoble et a découvert quel rôle les structures à l'intérieur du biofilm dans la distribution des nutriments et de l'eau.

Les biofilms bactériens peuvent se développer sur presque tous les types de surfaces : on les trouve sur les pierres et les plantes, sur les dents et les muqueuses, mais aussi sur les lentilles de contact, les implants médicaux ou les cathéters, dans les tuyaux de l'industrie laitière ou les conduites d'eau potable, où ils menacer gravement la vie humaine peut représenter la santé. Certains biofilms sont également utiles, par exemple, certains biofilms sont responsables non seulement des nombreux petits trous dans la production de fromages, mais aussi du goût fort.

Un tissu avec des structures spéciales

«Les biofilms ne sont pas seulement une collection de très nombreuses bactéries, mais des tissus avec des structures spéciales», explique le professeur Liraz Chai de l'Université hébraïque de Jérusalem. Ensemble, les bactéries forment une couche protectrice de glucides et de protéines, la soi-disant matrice extracellulaire. Cette matrice protège les bactéries des désinfectants, des rayons UV ou de la dessiccation et garantit que les biofilms sont vraiment difficiles à éliminer mécaniquement ou à éradiquer chimiquement. Cependant, la matrice n'est pas une boue homogène: «C'est un peu comme dans une feuille de plantes, il y a des structures spécialisées, par exemple des canaux d'eau qui résident dans de minuscules rides», explique Chai. Mais le rôle joué par ces structures et ce qui se passe au niveau moléculaire dans un biofilm n'était pas connu jusqu'à présent. En collaboration avec le professeur Yael Politi, TU Dresde, experte en caractérisation de matériaux biologiques, Chai a donc demandé le temps de mesure à la source du rayonnement synchrotron BESSY II à HZB.

La bonne chose à propos de BESSY II est que nous pouvons cartographier des zones assez vastes. En combinant la diffraction des rayons X avec la fluorescence, non seulement nous pouvons analyser très précisément les structures moléculaires à travers le biofilm, mais nous pouvons également suivre simultanément l'accumulation de certains ions métalliques qui sont transportés dans le biofilm et découvrir certains de leurs rôles biologiques», précise Yael Politi.

Système modèle pour de nombreux biofilms

Comme échantillons, les scientifiques ont utilisé des biofilms de Bacillus subtilis, une bactérie inoffensive qui se développe sur les racines des plantes et forme une symbiose utile avec elles: elle stocke l'eau afin que la plante puisse éventuellement absorber l'humidité du biofilm pendant la sécheresse et protège également les racines des agents pathogènes. En retour, les cellules du biofilm se nourrissent des exsudats racinaires. Néanmoins, les bactéries Bacillus subtilis peuvent servir de système modèle pour de nombreux autres biofilms bactériens.

Avec la lumière MySpot de BESSY II, ils ont examiné une grande surface (mm2) de ces échantillons de biofilm. Ils ont pu résoudre spatialement les structures du biofilm et bien distinguer les composants de la matrice, les cellules bactériennes, les spores et l'eau. «La spectroscopie de fluorescence X est une méthode qui nous permet d'identifier des ions métalliques importants tels que le calcium, le zinc, le manganèse et le fer», même lorsqu'ils sont présents à l'état de traces, explique le Dr Ivo Zizak, physicien au HZB et responsable du MySpot. Cela a permis de corréler entre la morphologie du biofilm et la distribution des ions métalliques.

Formation de spores à des endroits inattendus

L'évaluation montre que les ions calcium s'accumulent préférentiellement dans la matrice, tandis que les ions zinc, manganèse et fer s'accumulent le long des rides, où ils peuvent éventuellement déclencher la formation de spores, importantes pour la dispersion des bactéries.

«Nous ne nous attendions pas à cela, car normalement les spores se forment sous l'effet du stress, par exemple la déshydratation. Mais ici, elles sont liées aux canaux d'eau, probablement en raison de l'accumulation d'ions métalliques», explique Chai.

Les résultats montrent que les structures de la matrice jouent non seulement un rôle important dans la distribution des nutriments et de l'eau, mais influencent également activement la capacité des bactéries à se comporter comme un organisme multicellulaire. «Cela pourrait nous aider à mieux gérer les biofilms dans leur ensemble, les plus bénéfiques comme les plus dangereux», explique Liraz Chai.

Référence

PNAS 2022

Multiscale X-ray study of Bacillus subtilis biofilms reveals interlinked structural hierarchy and elemental heterogeneity

David N. Azulay, Oliver Spaeker, Mnar Ghrayeb, Michaela Wilsch-Bräuninger, Ernesto Scoppola, Manfred Burghammer, Ivo Zizak, Luca Bertinetti, Yael Politi and Liraz Chai

Aux lecteurs du blog

Comme le montre cette notice de la BNF, le blog Albert Amgar a été indexé sur le site de la revue PROCESS Alimentaire. 10 052 articles initialement publiés par mes soins de 2009 à 2017 sur le blog de la revue sont aujourd’hui inacessibles. Disons le franchement, la revue ne veut pas payer 500 euros pour remettre le site à flots, alors qu’elle a bénéficié de la manne de la publicité faite lors de la diffusion de ces articles.