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Les bactéries présentes dans les polymères forment des câbles qui se transforment en gels vivants

by Nouvelles

Des scientifiques de Caltech et de l’Université de Princeton ont découvert que les cellules bactériennes se développant dans une solution de polymères, comme le mucus, forment de longs câbles qui se courbent et s’enroulent les uns sur les autres, créant ainsi une sorte de « Jell-O vivante ».

Cette découverte pourrait être particulièrement importante pour l’étude et le traitement de maladies telles que la fibrose kystique, dans lesquelles le mucus qui tapisse les poumons devient plus concentré, provoquant souvent des infections bactériennes qui s’installent dans ce mucus et qui mettent la vie en danger. Cette découverte pourrait également avoir des implications dans les études sur les conglomérats de bactéries sécrétant des polymères appelés biofilms (la matière glissante sur les roches des rivières, par exemple) et dans les applications industrielles où ils peuvent provoquer des dysfonctionnements des équipements et des risques pour la santé.

L’œuvre est décrite dans un papier publié le 17 janvier dans la revue Avancées scientifiques.

“Nous avons découvert que lorsque de nombreuses bactéries se développent dans des fluides contenant des molécules ressemblant à des spaghettis appelées polymères, comme le mucus dans les poumons, elles forment des structures en forme de câbles qui s’entrelacent comme des gels vivants”, explique Sujit Duttaprofesseur de génie chimique, de bio-ingénierie et de biophysique à Caltech et auteur correspondant du nouvel article. “Et, fait intéressant, il existe des similitudes entre la physique de la formation de ces structures et la physique microscopique sous-jacente à de nombreux gels non vivants, comme Purell ou Jell-O.”

Datta a récemment déménagé de l’Université de Princeton à Caltech. L’un de ses étudiants diplômés à Princeton, Sebastian Gonzalez La Corte, est l’auteur principal de l’article. Lui et Datta se sont intéressés à la façon dont la concentration de mucus change dans les poumons et les intestins des patients atteints de fibrose kystique, chez qui plus de polymères que d’habitude sont présents. En travaillant avec des échantillons de mucus fournis par des collègues du MIT, Gonzalez La Corte a grandi E. coli bactéries (couramment utilisées dans les études en laboratoire) dans un liquide ordinaire et dans des échantillons ressemblant à la fibrose kystique, puis observé les échantillons au microscope pour observer la croissance des cellules bactériennes dans chaque cas.

Il s’est concentré sur les cellules qui avaient perdu la capacité de nager, comme c’est le cas pour de nombreuses bactéries dans la nature. Dans des circonstances normales, lorsqu’une telle cellule se divise en deux, les cellules résultantes se séparent et se diffusent les unes par rapport aux autres. Cependant, Gonzalez La Corte a découvert que dans une solution polymère, les cellules copiées restaient collées les unes aux autres, bout à bout.

“À mesure que les cellules continuent de se diviser et de se coller les unes aux autres, elles commencent à former ces belles et longues structures que nous appelons câbles”, explique Gonzalez La Corte. “À un moment donné, ils se plient et se plient les uns sur les autres et forment un réseau enchevêtré.”

L’équipe a découvert que les câbles continuent de s’allonger et de croître tant que les cellules disposent des nutriments dont elles ont besoin, créant finalement des chaînes longues de milliers de cellules.

Des expériences ultérieures ont montré que les espèces bactériennes introduites ne semblent pas avoir d’importance et que le type de solution de polymère organique ne fait aucune différence ; Une fois qu’une quantité suffisante de polymère entoure les cellules bactériennes, les câbles se développent. Les chercheurs ont même constaté le même résultat avec des bactéries présentes dans des polymères synthétiques.

Même si la motivation initiale de l’étude était de mieux comprendre la croissance des infections chez les patients atteints de mucoviscidose, les résultats sont plus largement pertinents. Le mucus joue un rôle important dans le corps humain, non seulement dans les poumons mais aussi dans l’intestin et dans le tractus cervico-vaginal. Et Datta dit que le travail est également important dans le contexte des biofilms, des groupements de bactéries qui développent leur propre matrice polymère encapsulante. Il existe des biofilms dans le corps humain, comme la plaque dentaire, mais ils sont également extrêmement courants dans le sol et en milieu industriel, où ils peuvent endommager les équipements et présenter des risques pour la santé.

“Cette matrice polymère qu’ils ont sécrétée est ce qui rend les biofilms si difficiles à éliminer des surfaces et à traiter avec des antibiotiques”, explique Datta. “Comprendre comment les cellules se développent dans cette matrice pourrait être essentiel pour découvrir comment mieux contrôler les biofilms.”

Comprendre la physique derrière les câbles

Grâce à des expériences soigneusement conçues, l’équipe a découvert que la pression externe exercée par les polymères entourant les cellules en division est ce qui force les cellules ensemble et les maintient en place. En physique, une telle force attractive qui est sous le contrôle d’une pression extérieure est appelée interaction d’épuisement. Gonzalez La Corte a utilisé la théorie de l’interaction par épuisement pour créer un modèle théorique de croissance des câbles bactériens. Le modèle peut prédire quand un câble survivra et se développera dans un environnement polymère.

“Nous pouvons désormais utiliser les théories établies de la physique des polymères, qui ont été développées pour des choses complètement différentes, dans ces systèmes biologiques, pour prédire quantitativement le moment où ces câbles apparaîtront”, explique Datta.

Pourquoi les bactéries forment-elles ces câbles ?

“Nous avons découvert ce phénomène intéressant, inhabituel et très inattendu”, explique Datta. “Nous pouvons également expliquer pourquoi cela se produit d’un point de vue mécaniste et physique. Maintenant, la question est : quelles sont les implications biologiques ?”

Il est intéressant de noter qu’il existe deux possibilités : les bactéries pourraient s’agglutiner pour former ce réseau de gel vivant dans le but de se rendre plus grandes et donc plus difficiles à engloutir et à détruire pour les cellules immunitaires. Alternativement, la formation de câbles pourrait en fait être nocive pour les bactéries. Après tout, les sécrétions de l’hôte amènent les bactéries à construire les câbles. “Le mucus n’est pas statique ; par exemple, dans les poumons, il est constamment balayé par de petits poils à la surface des poumons et propulsé vers le haut”, explique Datta. “Se pourrait-il que lorsque les bactéries sont toutes regroupées dans ces câbles, il soit en fait plus facile de s’en débarrasser, de les expulser du corps ?”

Pour l’instant, personne ne sait quelle possibilité est la bonne, et Datta dit que c’est ce qui rend ce projet intéressant. “Maintenant que nous avons découvert ce phénomène, nous pouvons formuler ces nouvelles questions et concevoir d’autres expériences pour tester nos soupçons”, dit-il.

Les autres auteurs de l’article « Morphogenèse des colonies bactériennes dans des environnements polymères » sont Corey A. Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce et Katharina Ribbeck du MIT ; et Ned S. Wingreen (BS ’84) de l’Université de Princeton. Gerardo Cárcamo-Oyarce est actuellement professeur à l’Université pontificale catholique du Chili. Le travail a été soutenu par la National Science Foundation, les National Institutes of Health, le programme Camille Dreyfus Teacher-Scholar Awards, le programme Pew Scholars in the Biomedical Sciences, le Eric and Wendy Schmidt Transformative Technology Fund et la Princeton Catalysis Initiative.

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