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| 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. »
