« 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.
