Pourquoi les cellules de Salmonella qui n'expriment pas de flagelle sont plus tolérantes aux antibiotiques ?

Un article vient de paraître, «L'expression flagellaire hétérogène des cellules de Salmonella favorise la diversité dans la tolérance aux antibiotiques», source mBio. L'article est disponible en accès libre.

Autrement dit, les cellules de Salmonella qui n'expriment pas de flagelles sont plus tolérantes aux antibiotiques. Pourquoi ? La motilité flagellaire utilise la force motrice des protons et rend les cellules moins efficaces pour pomper des molécules toxiques telles que les antibiotiques.

Résumé

L'hétérogénéité phénotypique entre les cellules individuelles d'une population génétiquement identique conduit à une adaptation environnementale diversifiée. L'agent pathogène humain et animal Salmonella enterica sérovar Typhimurium présente une expression hétérogène des gènes de virulence, y compris des gènes flagellaires et des îlots de pathogénicité de Salmonella (SPI). On sait peu de choses sur la façon dont l'expression différentielle des gènes flagellaires entre les cellules individuelles affecte l'adaptation bactérienne aux stress. Ici, nous avons développé un rapporteur à triple fluorescence pour surveiller simultanément l'expression des voies flagellaires et SPI-1. Nous montrons que les deux voies se croisent au niveau de la cellule unique. Curieusement, les cellules exprimant des flagelles (fliC-ON) présentent une tolérance réduite aux antibiotiques par rapport aux cellules fliC-OFF. Une telle variation dépend des pompes à efflux TolC. Nous montrons en outre que les cellules fliC-ON contiennent des concentrations de protons intracellulaires plus élevées. Cela suggère que l'assemblage et la rotation des flagelles consomment la force motrice des protons et diminuent l'activité d'efflux, entraînant une sensibilité aux antibiotiques. Un tel compromis entre la motilité et l'efflux met en évidence un nouveau mécanisme de tolérance aux antibiotiques.

Importance

La résistance et la tolérance aux antibiotiques constituent une grave menace pour la santé humaine. La façon dont les pathogènes bactériens acquièrent une tolérance aux antibiotiques n'est pas claire. Ici, nous montrons que le pathogène humain et animal Salmonella divise sa population en sous-groupes qui sont différents dans leurs capacités à tolérer les traitements antibiotiques. Dans une population de Salmonella génétiquement identique, certaines cellules expriment des flagelles pour se déplacer vers les nutriments, tandis que d'autres cellules n'expriment pas de flagelles. Fait intéressant, nous montrons que les cellules de Salmonella qui n'expriment pas de flagelles sont plus tolérantes aux antibiotiques. Nous avons en outre déterminé le mécanisme sous-jacent à ces diverses réponses aux antibiotiques. La motilité flagellaire utilise l'énergie cellulaire stockée sous forme de force motrice protonique et rend les cellules moins efficaces pour pomper des molécules toxiques telles que les antibiotiques. La population bactérienne globale profite donc d'une telle diversité pour s'adapter rapidement aux différentes conditions environnementales.

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Il est impossible de nager plus vite que Salmonella ?

La structure en cryo-microscopie électronique du complexe bactérien flagellaire moteur-crochet

«Des scientifiques de ZJU découvrent le mystère du moteur flagellaire bactérien», source Université du Zhejiang.

De nombreuses bactéries sont capables de nager 60 ou même 100 fois leur propre longueur en une seconde. Cette mobilité surpasse constamment le guépard, l'animal le plus rapide de la planète. Depuis que Van Leeuwenhoek, connu comme le père de la microbiologie, a observé pour la première fois des bactéries mobiles au 17e siècle, la mobilité bactérienne et ses mécanismes ont suscité de nombreux intérêts de recherche. De nombreux microbiologistes, biochimistes et biophysiciens ont engagé leurs études dans ce domaine, mais de nombreuses questions restent insaisissables.

Récemment, TAN Jiaxing et al. du Life Sciences Institute de l'Université du Zhejiang et de l'Ecole de médecine ont déterminé une structure en cryo-microscopie électronique (cryo-EM) à résolution atomique du moteur flagellaire bactérien complexé avec le crochet, à l'état assemblé à partir de Salmonella Typhimurium. Cette étude fournit des informations moléculaires détaillées sur la structure, l'assemblage et les mécanismes de transmission du moteur flagellaire. Il dévoile le mystère de la nage bactérienne et de la mobilité grouillante, et présente de nouvelles stratégies pour le développement d'antibiotiques. Ces résultats ont été publiés dans Cell le 20 avril.

La motilité des bactéries est basée sur un organite protéique spécial, le flagelle. De nombreuses bactéries sont porteuses d'un ou plusieurs flagelles. La structure du flagelle est composée de trois parties distinctes: le moteur, le crochet et le filament. Le flagelle est également une arme importante dans la pathogenèse bactérienne.

Le moteur flagellaire est l'une des machines à protéines les plus complexes et il peut tourner à des vitesses de plusieurs centaines à plus de mille tours par seconde. En raison de sa complexité, le moteur flagellaire est un sujet très difficile dans les études de biochimie et de biologie structurale.

«Pour relever ce défi, nous avons cherché à résoudre sa structure haute résolution. Il est très difficile de purifier le moteur flagellaire bactérien. C'était trop gros!» a ditle Dr ZHU Yongqun, le chef de projet.

Pour éviter les effets des filaments flagellaires sur la purification du moteur, ils ont manipulé génétiquement le génome de Salmonella Typhimurium. La souche mutante pourrait normalement produire le moteur et le crochet sans le filament. Après de nombreuses tentatives, les scientifiques ont conçu une procédure de purification douce pour les particules motrices et ont obtenu avec succès le complexe flagellaire intact moteur-crochet. Ils ont ensuite collecté les images de cryo-EM par un microscope électronique FEI Titan Krios fonctionnant à 300 kV, et ont résolu la structure de résolution atomique du complexe flagellaire moteur-crochet dans leur collaboration avec le Dr ZHANG Xing, directeur du Cryo-EM Center de l'Université du Zhejiang.

Comment le moteur flagellaire est assemblé et effectue la transmission de couple pour la rotation rapide du flagelle est une question de longue date. La structure révèle que les protéines de tige dans le moteur font des interactions intersubunitaires étendues via leurs éléments structurels distinctifs, et forment une structure compactée avec une rigidité élevée pour que la tige permette à la réception du couple de l'anneau MS et la transmission du couple au crochet. Dix peptides dépassant de l'anneau MS avec les sous-unités FlgB et FliE de la tige assurent la transmission de couple de l'anneau MS à la tige et surmontent le décalage de symétrie entre les structures rotatives et hélicoïdales du moteur. L'anneau LP entre en contact avec la tige distale et applique des forces électrostatiques pour soutenir sa rotation et sa transmission de couple au crochet sans obstacles structurels importants ni consommation d'énergie.

Le flagelle est l'un des contenus du manuel de base de la microbiologie. Cette étude représente une avancée marquante dans le domaine. Dans le processus d'examen par les pairs de l'article, un examinateur a commenté, «la structure cryo-EM représente un effort structurel monumental». Un autre examinateur a mentionné que «ce travail est exceptionnel et donne une résolution sans précédent sur certaines des parties les moins comprises du flagelle». L'étude indique également la diversité des mécanismes de transmission de couple des machines à protéines rotatives naturelles, et fournit des conseils structurels et des informations pour les recherches connexes sur la biologie synthétique, la biophysique et les nanomachines.

La structure du complexe flagellaire moteur-crochet et son modèle de fonctionnement

Un moteur à protéines minuscules alimente le mouvement bactérien

La protéine MotB (verte) est ancrée à la paroi cellulaire et est entourée de protéines MotA (orange), qui, lors de la dispersion de la force motrice ionique, tourne autour de MotB. La rotation de MotA entraîne à son tour la rotation du gros moteur bactérien. Image modèle de Dan W. Nowakowski, N Molecular Systems, Inc.

«Un moteur à protéines minuscules alimente le mouvement bactérien», source communiqué de la Faculty of Health and Medical Sciences de l’Université de Copenhague.  

La capacité de se déplacer est essentielle pour que des bactéries comme certaines souches de salmonelles et de E. coli afin de propager efficacement les infections. Elles peuvent se propulser vers l'avant à l'aide de fils, appelés flagelles, alimentés par le moteur rotatif flagellaire. Mais la façon dont ce moteur rotatif est alimenté reste un mystère parmi les scientifiques. Désormais, des chercheurs de l'UCPH montrent que le moteur flagellaire bactérien est alimenté par un autre moteur rotatif encore plus petit.

Il y a des milliards de bactéries autour de nous et dans notre corps, dont la plupart sont inoffensives voire même utiles. Mais certaines bactéries telles que E. coli et Salmonella peuvent provoquer des infections. La capacité de nager peut aider les bactéries à rechercher des nutriments ou à coloniser des parties du corps et provoquer une infection. Des chercheurs de la Faculté de la santé et des sciences médicales de l'Université de Copenhague ont maintenant fourni des informations fondamentales sur la façon dont ce mouvement bactérien est alimenté, résolvant un mystère d'un an dans le domaine.

« De nombreuses bactéries peuvent se déplacer ou nager, car elles ont de longs fils, également appelés flagelles, qu’elles peuvent utiliser pour se propulser vers l’avant. Elles font cela en faisant tourner ces fils. La rotation est alimentée par un moteur rotatif, qui est à nouveau alimenté par un complexe protéique connu sous le nom d'unité stator. Tout cela est bien connu dans notre domaine. Ce que nous montrons maintenant, c’est comment cette unité de stator alimente le moteur, ce qui a été un mystère jusqu’à présent », a dit le professeur et chef de groupe Nicholas Taylor, Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research.

De manière assez surprenante, l'équipe montre que le stator lui-même est en fait également un minuscule moteur rotatif. Ce petit moteur alimente le gros moteur, ce qui fait tourner les fils, provoquant le déplacement des bactéries. Les résultats contredisent les théories existantes sur le mécanisme de l'unité statorique, et ces nouvelles connaissances pourraient être utiles dans la lutte contre les maladies bactériennes.

« La plupart des chercheurs, y compris nous-mêmes, pensaient en fait que le mécanisme technique et l’architecture du stator étaient très différents de ce que notre étude montre. Connaître la composition et la fonction réelles de cet appareil ouvre la voie à des fins thérapeutiques. Lorsque nous savons ce qui fait bouger les bactéries, nous pourrions également être en mesure d’inhiber ce mouvement et de l’empêcher ainsi de se propager », a dit Nicholas Taylor.

La microscopie cryoélectronique révèle l'architecture du moteur

Les chercheurs ont déterminé la structure du complexe d'unité de stator en utilisant la microscopie cryoélectronique. En travaillant avec cette technique, ils ont pu élucider son architecture, voir comment elle est activée et fournir un modèle détaillé de la façon dont elle alimente la rotation du moteur flagellaire.

« Le moteur est constitué de deux protéines: MotA et MotB. La protéine MotB est ancrée à la paroi cellulaire et est entourée de protéines MotA qui, lors de la dispersion de la force motrice ionique, tourne autour de MotB. La rotation de MotA entraîne à son tour la rotation du gros moteur bactérien », explique Nicholas Taylor.

« De plus, notre modèle montre comment le stator peut entraîner la rotation du moteur flagellaire bactérien dans les deux sens, ce qui est crucial pour que les bactéries changent de direction de nage. Sans changement de direction, les bactéries ne pourraient nager que dans une seule direction. »

La prochaine étape pour le groupe est de savoir s'il est possible d'inhiber les unités statoriques à l'aide de composés chimiques, qui pourraient avoir des effets antibiotiques.

L’étude, ‘Structure and function of stator unit of the bacterial flagellar motor’ a été publiée dans Cell.

Quand Campylobacter pratique la natation synchronisée dans l'intestin

Voici une étude qui s’est intéressée à la motilité de Campylobacter jejuni qui intègre une forme cellulaire spécialisée, le filament flagellaire et le moteur sont là pour coordonner l'action de son flagelle opposé.

Des scientifiques révèlent pourquoi des microbes intestinaux sont si doués pour nager dans votre intestin, source Imperial College of London.

Des chercheurs ont résolu le mystère de la raison pour laquelle une espèce de bactérie qui provoque une intoxication alimentaire peut nager plus rapidement dans des liquides plus collants, comme dans l’intestin.

Les résultats pourraient potentiellement aider les scientifiques à stopper les bactéries sur leurs traces, car ils montrent comment la forme du corps de la bactérie et les composants qui l'aident à nager dépendent tous les uns des autres pour fonctionner. Cela signifie que toute perturbation d'une partie pourrait stopper les bactéries de pénétrer dans l'intestin.

Campylobacter jejuni est responsable de millions de cas d'intoxication alimentaire chaque année, et une étape clé de son invasion du corps est de nager à travers la couche muqueuse visqueuse (collante) de l’intestin. Des chercheurs ont observé que C. jejuni nage plus rapidement dans les liquides visqueux que dans les liquides moins visqueux, comme l'eau, mais jusqu'à présent, ils ne savaient pas pourquoi.

Désormais, des chercheurs de l'Imperial College de Londres, de l'Université Gakushuin de Tokyo et de l'Université du Texas Southwestern Medical Center ont filmé C. jejuni en action pour découvrir le mystère. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans PLOS Pathogens.

Deux moteurs opposés

C. jejuni utilise ses deux queues opposées, appelées flagelles, pour l'aider à se déplacer. Il a un flagelle à chaque extrémité de son corps qui tourne pour se propulser dans le liquide. Cependant, les flagelles opposés ont confondu les scientifiques.

Le co-premier auteur, le Dr Eli Cohen, du Département des sciences de la vie à l'Imperiale College, a dit: « Il semblait très étrange que la bactérie ait une queue aux deux extrémités - c'est comme avoir deux moteurs opposés à chaque extrémité d'un navire. Ce n'est que lorsque nous avons observé les bactéries en action que nous avons pu voir comment les deux queues fonctionnent intelligemment ensemble pour aider les bactéries à se déplacer dans le corps. »

L'équipe a créé des souches de C. jejuni qui ont des flagelles fluorescents et a utilisé la microscopie à haute vitesse pour voir ce qui se passe lors de la nage. Ils ont découvert que pour aller de l'avant, les bactéries enroulent leurs principaux flagelles autour de leur corps en forme d'hélice, ce qui signifie que les deux flagelles pointaient alors dans la même direction et produisaient une poussée unifiée.

Pour changer de direction, ils ont changé les flagelles enroulés autour de leur corps, permettant des virages rapides à 180 degrés et une évasion potentielle des espaces confinés.

Situations collantes

Ils ont également constaté que le processus d'enroulement des flagelles était plus facile lors de la nage dans des liquides visqueux; l'adhésivité aidant à repousser les principaux flagelles autour du corps. Dans les liquides moins visqueux, aucun flagelle n'a pu s'enrouler autour du corps.

Le chercheur principal, le Dr Morgan Beeby, du Département des sciences de la vie de l'Imperial College, a dit: « Notre étude fait d’une pirre deux coups: en cherchant à comprendre comment C. jejuni se déplace, nous avons résolu les paradoxes apparents de la façon dont il nage dans une direction. avec des flagelles opposés et comment il nage plus rapidement dans des liquides plus visqueux. »

« En plus de résoudre certains mystères de longue date, l’étude pourrait également aider les chercheurs à trouver de nouvelles façons de prévenir l'infection par C. jejuni, en ciblant l'une de ses structures interconnectées qui l'aident à se déplacer. »

L’étude a également révélé que la forme hélicoïdale du corps de la bactérie est cruciale pour permettre aux flagelles de s'enrouler autour de lui, montrant comment les deux composants dépendent l'un de l'autre. Cela s'ajoute aux travaux antérieurs de l'équipe montrant comment certaines parties du «moteur» qui entraîne les flagelles sont co-dépendantes, et qu'aucune partie ne fonctionnerait sans les autres.

‘Campylobacter jejuni motility integrates specialized cell shape, flagellar filament, and motor, to coordinate action of its opposed flagella' par Eli J. Cohen, Daisuke Nakane, Yoshiki Kabata, David R. Hendrixson, Takayuki Nishizaka and Morgan Beeby. PLOS Pathogens.

A propos du déplacement de bactéries pathogènes dans des situations difficiles

« Comment des bactéries pathogènes se déplacent-elles dans des situations difficiles », source communiqué de l’Université de York publié le 18 décembre 2018.

Des scientifiques ont décrypté la manière dont certains types de bactéries « nageant » ont évolué pour pouvoir s'échapper lorsqu'elles sont piégées dans de petits espaces.

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes pour enrayer la propagation de certaines bactéries, notamment d’espèces responsables d’intoxications alimentaires et d’ulcères gastriques.

De nombreuses bactéries peuvent nager, ce qui leur permet de rechercher de nouvelles sources d'éléments nutritifs ou, dans le cas de bactéries pathogènes, d'infecter et de se propager.

Flagelles

Presque toutes les espèces de bactéries nageant se propulsent en avant à l’aide d’hélices en forme de tire-bouchon appelées « flagelles ».

Les flagelles bactériens sont composés de milliers de blocs constitutifs de protéines disposés en chaînes spiralées.

Une équipe multidisciplinaire de scientifiques, comprenant des chercheurs de l’Université de York, a découvert que certains types de bactéries ont développé des flagelles complexes composés de nombreux types de protéines afin de leur permettre de se déplacer en dehors de petits espaces.

Mystère de longue date

Les scientifiques ont examiné une espèce de bactérie vivant dans le sol, Shewanella putrefaciens, et ont découvert que, lorsqu'elles se retrouvaient coincées dans un espace restreint, leurs flagelles à composantes multiples se mettent en boucle, enveloppant les corps cellulaires et leur permettant de se libérer à la façon d’un tire-bouchon.

Le Dr Laurence Wilson, du département de physique, co-auteur de l’étude, a déclaré : « La question de savoir pourquoi certaines bactéries telles que E. coli ont des flagelles constitués d’un type de protéine alors que d’autres ont des flagelles plus complexes constitués de nombreux types différents a été un mystère de longue date.

« La nature aime conserver des choses simples. Dans toute ‘machine’, plus de composants signifient plus de problèmes pouvant survenir. Notre étude a montré que les flagelles complexes ont une fonction qui aide les bactéries à s'échapper quand elles se retrouvent coincées dans des espaces restreints, un avantage qui dépasse le coût du maintien des gènes pour coder les différents blocs constitutifs des protéines ».

3D

Pour l’étude, des scientifiques de l’Université de York ont utilisé leur expertise en microscopie holographique à haute vitesse pour suivre des cellules en 3D, leur permettant ainsi de voir comment les cellules utilisent leurs flagelles pour nager et se répandre.

Des collègues internationaux de l’Institut de microbiologie et de biologie moléculaire de Geissen (Allemagne) ont soigneusement défini l’emplacement des différents éléments constitutifs au sein de chaque flagelle. Des informaticiens de l’Université Philipps de Marbourg, en Allemagne, ont construit une série de simulations leur permettant de tester l’effet de la variation lente des propriétés physiques du flagelle.

Ils ont constaté que les éléments constitutifs des flagelles de Shewanella putrefaciens étaient disposés de manière optimale. En effet, lorsqu’ils enlevaient ou permutaient les composants du flagelle, la capacité de la bactérie à nager, que ce soit dans des « eaux libres » ou dans des espaces restreints, était réduite.

Blocage de la transmission

Le Dr Wilson a ajouté : « Des espèces bactériennes telles que Campylobacter jejuni, responsable de l'intoxication alimentaire, et Helicobacter pylori, responsable d’ulcères de l’estomac, maintiennent de multiples composants dans leur flagelle.

« Cette étude nous donne une meilleure compréhension de la physique des infections bactériennes - des connaissances qui pourraient conduire à de nouveaux moyens de bloquer la transmission d'infections nuisibles à l'avenir. »

L’article 'Spatial arrangement of several flagellins within bacterial flagella improves motility in different environments' est publié accès libre danq Nature Communications.