Des forces mécaniques façonnent les motifs énigmatiques des biofilms bactériens

« Des forces mécaniques façonnent les motifs énigmatiques des biofilms bactériens », communiqué de Princeton University du 20 mars 2020.

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Faisant fi de leur nature visqueuse, les amas collants de bactéries appelées biofilms forment souvent des motifs complexes, semblables à des étoiles, au fur et à mesure de leur croissance. Désormais, des chercheurs de l'Université de Princeton ont combiné leur expertise en biologie moléculaire, en génie mécanique et en modélisation mathématique pour démêler les processus physiques sous-jacents à ces curieuses ondulations.

« D’une certaine façon, des motifs apparaissent sous forme de rayures, de zigzags et d’anneaux », a dit le co-auteur Ned Wingreen, professeur en sciences de la vie et professeur de biologie moléculaire au Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics. « C’est une de ces choses qui m’a toujours laissé perplexe. »

L'étude, publiée le 19 mars dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, aide à éclairer la croissance des bactéries dans divers environnements et pourrait également aider à investiguer sur les forces physiques qui régissent la croissance et le morphing des tissus humains.

« Cela s'ajoute à un corpus de travaux provenant d'une perspective mécanique qui dit que ce que nous voyons est le jeu des lois physiques », a déclaré Wingreen. « Cela nous aidera à comprendre dans quelle mesure certains de ces modèles influencent les propriétés du biofilm qui sont importantes sur le plan biologique et médical. »

Le travail est le dernier à découler d'une collaboration entre quatre membres du corps professoral qui étudient les biofilms sous plusieurs angles. Avec Wingreen, l'équipe comprend Andrej Košmrlj, professeur adjoint en génie mécanique et aérospatial, Howard Stone, professeur en génie mécanique et aérospatial et Bonnie Bassler, professeur en biologie moléculaire. Auparavant, ils ont travaillé ensemble pour développer une méthode pour décoller les biofilms des surfaces.

Dans cette étude, les chercheurs ont analysé la formation de biofilms de la bactérie Vibrio cholerae, qui est répandue dans les environnements aqueux et peut provoquer la maladie du choléra lorsqu'elle est ingérée par l'homme. Sur un substrat mou, les biofilms se développent initialement sous forme de couche plate mais deviennent plus tard ridés, avec des motifs radiaux et en zigzag de pics et de vallées. L'étude a montré que ces modèles dépendent de la douceur ou de la rigidité relative du substrat du biofilm, que les chercheurs ont manipulé en faisant varier la concentration de gélose utilisée pour remplir des boîtes de Petri.

Sur un substrat plus rigide, les rides apparaissent d'abord au centre d'un biofilm et se propagent vers l'extérieur, tandis que sur un substrat plus doux, les rides commencent à se former sur les bords et à se propager vers le centre. Dans les deux cas, les biofilms se retrouvent avec des motifs de rides en zigzag en leur centre et un motif plus ordonné de rayures radiales sur leurs bords extérieurs.

Vidéo en accéléré montrant la croissance d'un biofilm de V. cholerae sur gélose à 0,7%. Sur ce substrat rigide, les rides apparaissent d'abord au centre et se propagent vers l'extérieur. Vidéo eLife 2019;8:e43920 DOI:10.7554/eLife.43920

Ce processus est entraîné par un lien d’influences, y compris l’absorption par chaque bactérie des nutriments du substrat, ce qui conduit à une croissance inégale à mesure que les nutriments s’épuisent dans le centre du biofilm. Les bactéries produisent de nouveaux composants de la matrice extracellulaire à mesure qu'elles grandissent et elles produisent également des molécules qui font que les bactéries se collent les unes aux autres et au substrat.

« Il s'agit d'un processus très compliqué impliquant la croissance et la mécanique », a déclaré l'auteur principal Chenyi Fei, un étudiant diplômé de l'Institut Lewis-Sigler. « Pour le comprendre, nous avons construit ce que nous appelons un modèle chimio mécanique. Nous tenons compte des nutriments et de la croissance non uniforme du biofilm, et de la façon dont ces caractéristiques se traduisent par les forces mécaniques ou les contraintes qui s'accumulent. »

Le modèle a permis aux chercheurs de prédire quelles régions du biofilm subiraient un stress maximum à des moments particuliers, et donc de prédire où se formeraient les rides. Les prédictions correspondaient bien aux mesures expérimentales de formes tridimensionnelles de biofilms réels, a dit Fei, dont les travaux d’étudiant sont co-conseillés par Wingreen et Bassler.

« Chenyi a intelligemment intégré de nombreux mécanismes différents qui sont normalement étudiés séparément », a dit Košmrlj.

Vidéo en accéléré montrant la croissance d'un biofilm de V. cholerae sur une gélose à 0,4%. Sur ce substrat mou, les rides commencent à se former sur les bords du biofilm et à se propager vers son centre. Vidéo eLife 2019;8:e43920 DOI: 10.7554/eLife.43920

Un aspect clé du modèle est son adoption des analyses d'ingénierie classiques des instabilités mécaniques, qui ont déjà été appliquées à des problèmes tels que le flambement des voies ferrées à des températures extrêmes. Un type d'instabilité similaire fait que des matériaux mous comme les biofilms forment des rides.

« Au siècle dernier, les instabilités mécaniques étaient étudiées en vue de prévenir les mécanismes de défaillance des structures », a déclaré le co-auteur Sheng Mao, ancien chercheur postdoc à Princeton, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de Pékin. « Mais dans une nouvelle série d’études, nous essayons d'exploiter ces instabilités mécaniques pour fabriquer des structures accordables à diverses fins », comme les matériaux mous développés pour traiter les blessures et les maladies grâce à l'ingénierie tissulaire.

En plus de faire progresser les connaissances sur la façon dont les cellules en croissance interagissent avec les substrats mous, les chercheurs prévoient de s'appuyer sur leurs résultats pour approfondir les cycles de vie bactériens, y compris le stade de dispersion au cours duquel certaines cellules bactériennes se détachent d'un biofilm, sortent de la structure et colonisent de nouveaux domaines.

Des bactéries comme V. cholerae « sont des opportunistes », a déclaré Wingreen. «Ils entrent, s'emparent de certains territoires, s'étendent, mangent tout ce qu'elles peuvent, puis s'en vont. Mais ce dernier aspect, la dispersion, est sous-étudié, et la physique et la mécanique de la dispersion vont offrir des défis intéressants. »

En plus de Wingreen, Košmrlj, Stone, Bassler, Fei et Mao, d'autres co-auteurs de l'étude étaient Jing Yan, un ancien chercheur postdoc qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de Yale et Ricard Alert, boursier postdoc au Princeton’s Center for Theoretical Science.

Ce travail a été financé en partie par le Howard Hughes Medical Institute, les National Institutes of Health des États-Unis et la National Science Foundation, y compris un prix NSF au Princeton Center for Complex Materials.

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. »