Les biofilms, ces communautés organisées de micro-organismes qui colonisent nos corps et le monde qui nous entoure, sont au cœur d’une nouvelle étude menée par des chercheurs américains.
Cette recherche révèle comment ces biofilms façonnent leur environnement et ajustent leur architecture interne pour s’adapter à leur milieu. Les implications de ces découvertes pourraient être vastes, allant de la lutte contre les maladies à la conception de nouveaux types de matériaux actifs vivants.
Les biofilms : des architectes microscopiques
Les biofilms, que l’on peut trouver dans la plaque dentaire, les bactéries intestinales ou même sur les roches des rivières, sont des communautés organisées de micro-organismes.
Sulin Zhang, professeur de science et de mécanique de l’ingénierie et de génie biomédical à Penn State, explique : « Dans le cas des bactéries, elles grandissent, se divisent et appliquent des forces les unes aux autres et à leur environnement. Ainsi, les bactéries en croissance ont le potentiel de façonner l’environnement, modifiant l’environnement dans lequel elles vivent. »
En collaboration avec une équipe interdisciplinaire de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology et de Yale, Zhang a étudié cette interaction sur tous les fronts : théoriquement, expérimentalement et sur le plan du calcul. Les chercheurs ont utilisé des biofilms produits par Vibrio cholerae, qui peut causer le choléra, comme système modèle pour démontrer la capacité d’auto-formation et d’auto-organisation d’un système en croissance 3D.
Une structure nématique active
Dans la nature, les biofilms ont tendance à se développer dans des espaces restreints. L’équipe a donc cultivé le biofilm entre un hydrogel souple et un substrat de verre rigide. Ils ont analysé le biofilm en croissance en utilisant l’imagerie à cellule unique, des simulations basées sur des agents et la théorie de la mécanique du continuum.
Les chercheurs ont découvert que les biofilms façonnent à la fois eux-mêmes et leur frontière en une formation efficace connue sous le nom de « nématiques actifs », l’arrangement de molécules auto-propulsées en lignes parallèles plutôt qu’en couches.
« Nous avons découvert que les biofilms profitent des contraintes induites par la croissance pour façonner leur environnement et créer une structure nématique », a déclaré Jing Yan, professeur adjoint de biologie moléculaire, cellulaire et développementale à l’Université Yale. « Cela nous rapproche beaucoup de la possibilité de contrôler la morphologie, l’emballage et l’ordonnancement du biofilm. »
Implications pour la santé humaine
Comprendre la boucle de rétroaction entre la croissance du biofilm, le stress généré par la croissance et son environnement pourrait ouvrir la voie à une croissance contrôlée des biofilms bénéfiques, à l’élimination de ceux qui sont nuisibles et même au développement potentiel de nouvelles classes de matériaux en croissance active qui peuvent répondre à – et modifier activement – leur environnement.
Jing Yan ajoute que cette information est particulièrement précieuse dans le domaine des soins de santé. Les biofilms jouent un rôle substantiel dans la croissance des maladies chez l’homme et l’animal, car ils peuvent échapper à la réponse immunitaire. La nature coordonnée des biofilms bactériens les rend hautement résistants aux antibiotiques conventionnels, ils sont donc extrêmement difficiles à traiter.
En fait, la majorité des infections chroniques résistantes aux antibiotiques sont causées par des biofilms, selon l’American Society for Microbiology.
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En synthèse
Une meilleure compréhension de la façon dont les maladies entraînées par les biofilms peuvent se développer dans un environnement confiné permettra aux chercheurs de développer de nouvelles façons de perturber cette croissance.
« Ce que nous avons appris aidera à développer des stratégies pour lutter contre ces infections », a précisé Changhao Li, candidat au doctorat en mécanique computationnelle à Penn State. « Les phénomènes découverts ici pourraient conduire à de nouvelles stratégies pour supprimer la croissance des biofilms nuisibles et nous donner la capacité de concevoir et de programmer des biofilms bénéfiques. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un biofilm ?
Un biofilm est une communauté organisée de micro-organismes qui colonisent nos corps et le monde qui nous entoure.
Comment les biofilms façonnent-ils leur environnement ?
Les biofilms utilisent les contraintes induites par leur croissance pour façonner leur environnement et créer une structure nématique.
Qu’est-ce qu’une structure nématique ?
Une structure nématique est l’arrangement de molécules auto-propulsées en lignes parallèles plutôt qu’en couches.
Quel est le rôle des biofilms dans la santé humaine ?
Les biofilms jouent un rôle substantiel dans la croissance des maladies chez l’homme et l’animal, car ils peuvent échapper à la réponse immunitaire et sont hautement résistants aux antibiotiques conventionnels.
Comment cette recherche pourrait-elle aider à lutter contre les infections ?
Une meilleure compréhension de la façon dont les biofilms se développent pourrait aider à développer de nouvelles stratégies pour perturber leur croissance et traiter les infections qu’ils causent.
Références
Légende illustration principale : Reconstruction tridimensionnelle d’un biofilm cultivé sous un gel d’agarose à 0,5 %. La barre d’échelle est de 10 µm. Crédit : fourni par Jing Yan.
Article : « Biofilms as self-shaping growing nematics » – DOI: s41567-023-02221-1
