Les bactéries se multiplient et se transforment en biofilms comme les colons forment les villes

Les microbiologistes ont depuis longtemps adopté le langage des établissements humains pour décrire comment les bactéries vivent et se développent: elles «envahissent» et «colonisent». Les relations qui vivent à proximité sont des «colonies».

En associant la technologie d'imagerie super-résolution à un algorithme de calcul, une nouvelle étude Communications Nature confirme que cette métaphore est plus appropriée que les scientifiques ne l'ont peut-être imaginé. 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 prenons cette vue «au niveau satellite», à la suite de centaines de bactéries réparties sur une surface depuis leur colonisation initiale jusqu'à la formation de biofilm. 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. « 

Hyun (Michel) Koo, professeur à la Penn's School of Dental Medicine et auteur principal des travaux

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 avec des produits thérapeutiques.

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 les gens étudient les biofilms, ils analysent une seule cellule dans un champ de vision étroit à mesure qu'elle se multiplie, devient un cluster et commence à se constituer », explique Koo. « Mais nous nous sommes demandé si nous avons suivi plusieurs cellules individuelles simultanément si nous pouvions identifier certains modèles à grande échelle de longueur. »

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 microbe Streptococcus mutans, un pathogène buccal 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 microbes 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 de «villages» de petites bactéries. Puis, 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, au fur et à mesure que différentes microcolonies se rencontraient, elles pourraient rivaliser, provoquant peut-être la répulsion des deux bords.

« Au lieu de cela, ils 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 (EPS) permettait aux bactéries de s'assembler étroitement et fermement dans le biofilm. Lorsqu'elles ont introduit une enzyme qui a digéré l'EPS, les communautés se sont dissoutes et sont retournées à une collection de bactéries individuelles.

«Sans EPS, 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 de la bactérie 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 pour former des «villes» plus grandes, comme des voisins perturbateurs qui peuvent affecter la croissance collective de la communauté.

L ' »ami » – le champignon Candida albicans, avec lequel Koo et d'autres ont trouvé une interaction avec S. mutans dans les biofilms et de 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 « 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 regardant les événements sous des vues à la fois de « gros plan » et « à vol d'oiseau ».

« C'est une analogie utile, mais elle doit être prise avec un grain de sel », dit Koo. « Nous ne disons pas que ces bactéries sont anthropomorphes. Mais adopter cette perspective de la croissance du biofilm nous donne une image multidimensionnelle et multidimensionnelle de leur croissance que nous n'avons jamais vue auparavant. »

La source:

Université de Pennsylvanie

Référence de la revue:

Paula, A.J., et al. (2020) La dynamique de la croissance de la population bactérienne dans les biofilms ressemble aux aspects spatiaux et structurels de l'urbanisation. Communications Nature. doi.org/10.1038/s41467-020-15165-4.

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