Des chercheurs découvrent un lien entre les propriétés électriques et le mode de vie des bactéries

Le potentiel électrique à travers l’enveloppe cellulaire bactérienne indique quand les bactéries ne fonctionnent plus comme des cellules individuelles mais comme un collectif. Des chercheurs de l’Institut de physique biologique de l’Université de Cologne ont découvert ce lien entre les propriétés électriques et le mode de vie des bactéries. Bien que les bactéries soient des organismes cellulaires uniques, elles forment des communautés spatialement structurées, appelées biofilms. Au sein des biofilms, les bactéries se comportent comme un collectif et peuvent mieux se protéger contre les agressions extérieures comme les antibiotiques.

Jusqu’à présent, on ignorait en grande partie comment fonctionne la transition d’une bactérie unique à une communauté aussi complexe. Les chercheurs ont examiné comment les propriétés électriques des bactéries changent pendant la formation du biofilm et ont découvert des schémas caractéristiques du potentiel électrique qui évoluent dans l’espace et dans le temps. Ces schémas étaient corrélés avec le développement de nouveaux habitats présentant des degrés divers de tolérance aux antibiotiques. Les chercheurs décrivent leurs découvertes dans l’article “La dynamique de polarisation collective dans les colonies bactériennes signifie la présence de sous-populations distinctes” dans le Journal PLOS Biologie.

Les bactéries individuelles accumulent un potentiel électrique à travers leur enveloppe (la membrane) et sont donc électriquement polarisées. Pour la cellule, cette polarisation est une source d’énergie importante pour la respiration, l’absorption des nutriments et l’exportation des toxines. Les avancées méthodologiques récentes ont permis aux chercheurs d’examiner la dynamique du potentiel membranaire à l’échelle de cellules bactériennes individuelles. Ces études ont révélé que le potentiel membranaire des cellules individuelles fluctue indépendamment de leurs cellules voisines.

Comment le potentiel change-t-il au cours du développement du biofilm et quels facteurs environnementaux influencent le potentiel ? Comment le potentiel est-il lié au comportement de croissance des cellules et à leur tolérance aux antibiotiques ? Ces questions ont maintenant été posées par une équipe de chercheurs de l’Institut de physique biologique dirigée par le professeur Berenike Maier. Ils ont examiné les premiers stades de la formation du biofilm de Neisseria gonorrhoeae (alias gonocoque), l’agent causal de la gonorrhée, l’une des maladies sexuellement transmissibles les plus courantes, qui peut provoquer des grossesses extra-utérines et l’infertilité. En quelques minutes, les gonocoques s’auto-assemblent en colonies sphériques comprenant des milliers de bactéries.

En utilisant une microscopie optique avancée et une analyse d’image, nous pouvons mesurer la dynamique du potentiel membranaire de cellules individuelles dans ces colonies. Le potentiel n’est pas corrélé dans les colonies fraîches de bactéries. Lorsque la colonie atteint une taille critique, on observe quelque chose de complètement inattendu : toutes les cellules du centre augmentent soudainement leur potentiel ; ils s’hyperpolarisent.”

Dr Marc Hennes, premier auteur

Finalement, une coquille de cellules hyperpolarisées apparaît au centre de la colonie et se déplace à travers la colonie. Derrière cette coquille, le potentiel au centre est plus faible. Les chercheurs ont interprété ce phénomène de schémas de polarisation corrélés spatio-temporels comme la transition vers un comportement collectif, révélateur de la formation de biofilms. Une combinaison de simulations informatiques et d’expériences en laboratoire humide a montré des preuves solides que ce modèle de polarisation est lié à un changement dans la disponibilité de l’oxygène. Ce modèle existe parce que les cellules au centre épuisent l’oxygène plus rapidement que la diffusion ne le réapprovisionne.

Une question importante était donc de savoir si le schéma de polarisation membranaire était corrélé à l’hétérogénéité fonctionnelle bien connue des biofilms. En effet, les bactéries ont diminué leur taux de croissance après avoir traversé le processus d’hyperpolarisation, alors que le taux de croissance des bactéries résidant à la surface de la colonie est resté élevé. De plus, les bactéries du centre de la colonie montraient une plus grande tolérance aux antibiotiques. Une tolérance accrue aux antibiotiques est un problème médical aigu lors du traitement des biofilms. Les mécanismes moléculaires de la tolérance font l’objet d’un projet financé par le Centre de médecine moléculaire de Cologne à l’UoC.

L’objectif futur est de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui sous-tendent la formation des schémas de polarisation et leur relation avec la tolérance aux antibiotiques. Cette recherche sera menée dans le cadre d’un nouveau programme prioritaire financé par la Fondation allemande pour la recherche (Deutsche Forschungsgemeinschaft).