Adaptation des biofilms aux biocides et impact sur l'antibiorésistance – BAoBAb

Le projet BAoBAb s’est appuyé sur un modèle de biofilm en microplaque et sur une dizaine de souches d'Escherichia coli isolées de la chaîne alimentaire. Au cours d’expérimentations d’évolution adaptative d’un mois, les biofilms ont été exposés à des cycles récurrents de traitements biocides (Triamine, QACs, PHMB, peroxyde d’hydrogène), mimant les pratiques industrielles. Après chaque cycle, des étalements sur milieux contenant des antibiotiques ont été réalisés à partir des cellules des biofilms exposés afin de quantifier l’émergence de résistances croisées et d’isoler des variants résistants. Les modifications structurales des biofilms ont été analysées par microscopie confocale laser à balayage (CLSM), afin de révéler des modifications architecturale et de l’organisation spatiale du biofilm sous pression biocide. Une approche de génomique comparative (variant calling) a permis d’identifier les mutations apparues au cours de l’évolution chez les variants isolés suite au séquençage du génome complet des variants et des souches parentales. Sur cette base, des analyses ciblées par RT-qPCR ont été menées pour comparer l’expression de ces gènes entre souches parentales et variants. En complément, une analyse protéomique comparative en présence/absence de biocide a été utilisée pour mettre en évidence des variations d’expression protéique entre souches parentales et variants résistants en conditions de stress biocide, et mieux évaluer l'impact des mutations sur le métabolisme. En combinant évolution expérimentale, analyses phénotypiques et caractérisations moléculaires multi-échelles, le projet BAoBAb a mis en lumière les trajectoires adaptatives des biofilms soumis à une pression biocide et permis d'identifier certaines voies récurrentes dans l'adaptation à certains biocides.

Premièrement, les trajectoires évolutives en biofilm sont spécifiques à ce mode de vie et dépendantes du fond génétique des souches, même en l’absence de pression biocide. L’évolution en biofilm favorise l’émergence de résistances à la gentamicine, et plus largement aux aminoglycosides, via des stratégies génétiques contrastées : certaines souches acquièrent des mutations ponctuelles affectant le métabolisme central ou la respiration (ex. atpG, aceE, cydA), tandis que la souche de référence E. coli MG1655 évolue majoritairement par de larges délétions génomiques incluant sbmA, impliqué dans l’entrée des aminoglycosides, au prix d’un coût de fitness plus élevé. Ces résultats soulignent le rôle du biofilm comme moteur d’adaptation évolutive façonnant des trajectoires de résistance distinctes selon le contexte génétique des souches.

L'impact de différentes substances actives biocides a ensuite été évalué. L’exposition au PHMB (biguanide) stimule la production de curli et la formation de zones denses dans le biofilm, créant des microenvironnements favorisant des réponses de stress et des adaptations métaboliques transitoires. Ces changements induisent une résistance croisée temporaire à la gentamicine. Quelques résistances stables, liées à des mutations dans des gènes de la respiration (cydA, atpG), apparaissent plus rarement. Ainsi, la PHMB agit principalement en remodelant la structure du biofilm, ce qui favorise l’adaptation et la tolérance bactérienne (Charron et al, 2023).

Un focus particulier a été porté sur le N-(3-aminopropyl)-N-dodécylpropane-1,3-diamine (Triamine, TMN), une molécule biocide de plus en plus utilisée dans l’industrie agroalimentaire. Il a été observé que l’exposition répétée au TMN favorise, de manière récurrente chez différentes souches, l’émergence de variants résistants à la rifampicine. Cet effet est spécifiquement associé au mode de vie en biofilm et n’a pas été retrouvé dans les populations planctoniques ou surnageantes. Les analyses génomiques ont mis en évidence des mutations récurrentes dans des gènes associés à la biosynthèse du lipopolysaccharide (LPS) chez les variants résistants sélectionnés en présence de TMN. Ces altérations sont susceptibles de modifier la perméabilité membranaire et d’influencer la survie bactérienne en conditions de stress. Par ailleurs, les analyses protéomiques ont révélé une modulation de l’expression de protéines impliquées dans la synthèse d’exopolysaccharides (notamment une redirection des sucres utilisés pour le synthèse du LPS vers la production d'acide colanique), dans la structuration du biofilm et dans la réponse au stress environnemental (article soumis au journal NPJ Antimicrobial and Resistance en décembre 2025).

Ces données soulignent l’importance d’intégrer le mode de vie biofilm dans l’évaluation du risque de sélection de l’antibiorésistance en lien avec l’usage des biocides, dans une approche intégrée One Health.

Les résultats obtenus dans le cadre du projet BAoBAb ouvrent plusieurs perspectives de recherche appliquée et fondamentale, en particulier autour de la problématique de la résistance croisée aux antibiotiques induite par l’exposition aux biocides. Le constat selon lequel des traitements répétés par certains biocides favorisent l’émergence de variants en biofilms présentant une tolérance accrue à plusieurs antibiotiques soulève des enjeux majeurs pour les secteurs agroalimentaire et de santé publique. Une première perspective concerne l’extension des expérimentations à d’autres espèces bactériennes d’intérêt industriel, afin de déterminer dans quelle mesure les mécanismes d’adaptation identifiés chez E. coli sont généralisables. Il s’agira notamment d’évaluer le potentiel d’induction de résistance croisée chez des bactéries naturellement présentes dans les environnements de production et pouvant poser des problématiques critiques en termes de résistances aux antimicrobiens, comme Pseudomonas, Staphylococcus ou Acinetobacter. Par ailleurs, le projet ouvre la voie à des travaux sur des communautés microbiennes mixtes, plus représentatives de la réalité des biofilms industriels. Ces modèles permettront d’analyser les effets de la pression biocide sur les dynamiques interspécifiques et la sélection de variants multirésistants au sein de consortiums complexes. Sur le plan moléculaire, la poursuite des analyses génomiques, transcriptomiques et protéomiques dans ces nouveaux modèles pourrait permettre d’identifier des signatures communes ou spécifiques de la tolérance croisée. En parallèle, il sera nécessaire de caractériser la stabilité des mutations acquises, leur éventuelle réversibilité en l’absence de pression, et leur potentiel de transfert horizontal, afin de mieux évaluer leur risque de dissémination. Ces résultats appellent également à des ajustements des pratiques de désinfection. Des travaux complémentaires sont nécessaires pour évaluer l’effet de l’alternance ou de la combinaison de biocides sur la réduction du potentiel adaptatif des biofilms. Les variants évolués obtenus au cours du projet constituent un matériel expérimental pertinent pour tester l’efficacité de nouveaux protocoles, désinfectants ou agents antimicrobiens alternatifs, y compris d’origine biologique. Enfin, une perspective importante réside dans le développement d’outils de biosurveillance, permettant de détecter précocement l’apparition de profils de tolérance ou de multirésistance dans les environnements de production. Ces outils pourraient s’appuyer sur les gènes ou protéines biomarqueurs identifiés, pour alimenter des dispositifs de diagnostic ou de gestion des risques microbiens en milieu industriel.

Les objectifs du projet BAoBAb sont de mieux comprendre les stratégies d'adaptation bactérienne aux désinfectants utilisés dans l'industrie alimentaire, d'évaluer l'impact de cette adaptation collective sur l'émergence de variants résistants aux antibiotiques et d'identifier les mécanismes sous-jacents. Le rôle des biocides dans la dissémination de la résistance aux antimicrobiens sera également abordé en étudiant les capacités de recolonisation de variants résistants et l'impact des résidus de biocides sur le transfert horizontal de gènes dans les biofilms. A cet effet, une approche combinant des méthodes d'évolution expérimentale en biofilm, de génomique comparative et d'imagerie de fluorescence sera appliquée. Les marqueurs moléculaires et phénotypiques de l'adaptation et du développement de la résistance croisée pourront ainsi être identifiés et utilisés pour le développement d'outils de surveillance sur la chaine alimentaire.