Structure et dynamique des biofilms bactériens: des cellules uniques aux phénomènes collectifs – FILMOTIL

Les expériences consistent à caractériser les biofilms à différents niveaux: nous étudions les trajectoires de bactéries individuelles par des techniques de microscopie de fluorescence et analysons quantitativement leur nage et leur piégeage dans le biofilm par des techniques fines d’analyse des images. De même, la diffusivité des agrégats cellulaires et les structures locales et globales sont étudiées par des techniques similaires au cours des différentes étapes du développement du biofilm. Ces observations sont corrélées avec les paramètres environnementaux du milieu cellulaire (nutriments, température, niveau d'oxygène,…).
Les expériences sont couplées à la théorie et différentes approches théoriques sont testées. Nous voulons identifier l'ensemble minimal de paramètres qui est nécessaire pour reproduire la croissance d’un biofilm in silico et prédire la structure de l'auto assemblage. Un lien étroit entre expériences et théorie est développé afin d'extraire expérimentalement l'ensemble des paramètres nécessaires pour le modèle théorique.

Les mécanismes de la motilité bactérienne et du chimiotactisme sont maintenant assez bien connus au niveau de la cellule unique, en revanche le comportement d’une population entière de cellules pose encore certaines questions fondamentales. L'étude d’une population cellulaire d’Escherichia coli dans un gradient d’oxygène montre que les bactéries sont capables de présenter un comportement collectif pour s'auto assembler et former des motifs réguliers. De la même manière, lorsqu’on observe la morphogenèse d’un biofilm bactérien de Bacillus subtilis qui forme une pellicle flottant à la surface du liquide, nous détectons certains types d’auto assemblages de cellules très tôt au cours du développement du biofilm. Nous soupçonnons ainsi l'existence d’effets collectifs dans le volume du milieu de croissance, bien avant l'apparition d'une pellicule. Ces assemblages peuvent jouer un rôle important notamment en conditionnant le développement du biofilm ainsi que sa structure et ses propriétés mécaniques.

En effet, une étude de l’évolution de la structure macroscopique d’un biofilm de Bacillus subtilis a été menée au cours de son développement. Nous avons mis en évidence l’apparition d’une texture particulière de la pellicule flottante montrant une longueur d’onde caractéristique. Les paramètres de cette structure (longueur d’onde, amplitude,…) varient en fonction des conditions expérimentales et de la souche de Bacillus subtilis étudiée.

Nous souhaitons maintenant établir le lien entre les phénomènes collectifs observés dans le volume du milieu de croissance et l’émergence d’une structure particulière à la surface du liquide. L’élaboration d’un modèle théorique en accord avec l’étude expérimentale permettra de mettre en évidence les paramètres environnementaux cruciaux pour le développement du biofilm. Ces résultats obtenus pourront aider à développer des stratégies pour contrôler leur croissance: soit les inhiber ou au contraire les stimuler, selon les applications.

Ces travaux ont fait l'objet de communications orales au cours de séminaires ou de congrès internationaux devant des spécialistes du domaine. Aussi, un certain nombre de publications dans des journaux à comité de lecture sont en cours d’élaboration et devraient paraître un proche avenir.

Les bactéries sont des micro-organismes unicellulaires procaryotes. Elles sont ubiquitaires et constituent une grande partie de la biomasse terrestre. Elles vivent en tant qu’individus qui interagissent avec leur environnement au cours de la phase planctonique, mais la plupart du temps, elles s'auto-organisent de façon collective en architectures complexes adsorbéee sur des interfaces et appelées «biofilms». Parce que les bactéries incorporées dans ces biofilms présentent une résistance accrue aux antibiotiques ainsi qu’aux stress environnementaux, elles ont un impact important dans les domaines de la médecine, de l’écologie, de l'environnement et de l'industrie alimentaire.

Jusqu'à présent, la grande majorité des études qui ont été menées sur les biofilms sont des études protéomiques des mécanismes moléculaires et génétiques (en termes d'expression et fonction des protéines). Ces études ont montré que pour les micro-organismes bactériens tels que E. Coli et B. Subtilis, la motilité est nécessaire pour le développement de biofilms. Cependant, très peu d'approches physiques du comportement des bactéries (et en particulier de leur motilité) ont été adoptées pour étudier la formation des biofilms. Le but de ce projet est d'étudier le rôle de la dynamique cellulaire en corrélation avec les paramètres environnementaux (oxygène, température, nourriture...) sur la structure des biofilms. Ce projet, à l'interface de la physique et de la biologie, associe la physique expérimentale, l'instrumentation, la modélisation numérique, la biochimie et la microbiologie.

Le programme scientifique sera élaboré en deux étapes: d'abord l'étude du biofilm lors des premières étapes de son développement, quand sa structure reste encore bidimensionnelle. Ensuite nous étudierons des biofilms matures plus épais. Nous mettrons en place des expériences de microscopie optique qui nous permettront d'observer la dynamique cellulaire et les structures locales et globales de biofilms au cours de leur développement. Nous développerons de nouvelles techniques d'analyse pour extraire les caractéristiques qui définissent les biofilms à partir des images et vidéos enregistrées. Nous allons particulièrement nous concentrer sur les différents paramètres physico-chimiques mesurables et connus pour affecter sensiblement la croissance de biofilms tels que la motilité cellulaire, la distribution de gradients d'oxygène, la température... En outre, différentes approches théoriques seront testées afin d'identifier l'ensemble minimal de paramètres qui est nécessaire pour reproduire et prédire numériquement la structure de l'auto-assemblage cellulaire. Trouver expérimentalement des corrélations entre ces paramètres, nous permettra de simplifier le modèle théorique. Les avancées scientifiques sur la structure fondamentale des biofilms pourraient contribuer à élaborer de futures stratégies pour inhiber ou au contraire accélérer leur croissance, selon les différentes applications.

Ce projet sera développé au Laboratoire de Physique des Solides (UMR8502) à l'Université d'Orsay, où une activité de recherche sur les biofilms vient de commencer en 2009. Les domaines de recherche sur la matière molle développés dans ce laboratoire (tissus et fibres biologiques, les systèmes de polymères, l'auto-organisation de la matière molle...) constituent des atouts pour le développement de ce projet. En outre, les centres de recherche de l'INRA (Massy), le CNRS de Gif-sur-Yvette et le centre de recherches Danone seront des partenaires de choix pour les collaborations à venir.