Les bactéries E. coli densément concentrées forment un matériau immobile semblable au verre colloïdal, selon les recherches

Selon une nouvelle étude de l’Université de Tokyo, les bactéries E. coli denses présentent plusieurs caractéristiques similaires à celles du verre colloïdal. Les colloïdes sont des substances constituées de petites particules en suspension dans un fluide, comme l’encre par exemple. Lorsque ces particules deviennent plus denses et plus compactes, elles forment un « état vitreux ».

Lorsque les chercheurs ont multiplié des bactéries E. coli dans un espace confiné, ils ont découvert qu’elles présentaient des caractéristiques similaires. Plus surprenant encore, elles ont également montré d’autres propriétés uniques que l’on ne trouve généralement pas dans les matériaux à l’état vitreux.

Cette étude, publiée dans Nexus PNAScontribue à la compréhension de la « matière active » vitreuse, un domaine relativement nouveau de la recherche sur les matériaux qui croise la physique et les sciences de la vie.

À long terme, les chercheurs espèrent que ces résultats contribueront au développement de matériaux dotés de nouvelles capacités fonctionnelles, ainsi qu’à améliorer notre compréhension des biofilms (où les micro-organismes se collent pour former des couches sur des surfaces) et des colonies bactériennes naturelles.

Qu’ont en commun le beurre, le savon et l’encre ? Ils n’ont certes pas tous bon goût, mais ce sont tous des types de colloïdes, des substances constituées de particules en suspension dans un liquide. Lorsque la concentration de particules est faible, la substance sera plus liquide, et lorsqu’elle est élevée, elle deviendra plus solide (pensez à un encrier desséché).

Lorsque cela se produit, la substance entre dans un état vitreux, ce qui restreint le mouvement des particules. Cependant, bien que la substance puisse sembler dure, contrairement à d’autres solides, les particules ne forment pas de motifs fixes mais sont mélangées de manière aléatoire. Cela ressemble à la structure moléculaire du verre.

Des chercheurs ont désormais découvert que la bactérie E. coli peut se comporter de manière similaire.

« Étant donné que les bactéries sont très différentes de ce que nous connaissons sous le nom de verre, il était surprenant que de nombreuses propriétés statistiques des matériaux vitreux soient les mêmes pour les bactéries », a déclaré le professeur associé Kazumasa Takeuchi du département de physique de la Graduate School of Science.

« Cependant, la plus grande surprise pour nous a été que l’analyse approfondie a révélé non seulement une similitude avec les propriétés standard du verre, mais aussi d’autres propriétés au-delà. Nos résultats appellent à une extension de notre compréhension actuelle de la physique du verre. »

Takeuchi a eu l’idée de réaliser cette expérience après avoir observé le comportement des bactéries dans une autre étude il y a plus de 10 ans. À l’époque, il avait constaté que lorsqu’une population de bactéries devenait très dense, elle cessait brusquement de se déplacer et il voulait comprendre pourquoi.

Le principal défi consistait à créer un environnement dans lequel les bactéries pouvaient prospérer et se multiplier de manière égale pour former une population dense. Pour y parvenir, l’équipe a utilisé un dispositif qu’elle avait déjà développé, qui lui permettait de distribuer de manière égale les nutriments à toutes les bactéries à travers une membrane poreuse. Les chercheurs ont ensuite observé les bactéries au microscope pendant 5 à 6 heures.

À mesure que le nombre d’E. coli augmentait, ils se retrouvaient enfermés dans des cages par leurs voisins, limitant leur capacité à nager librement. Au fil du temps, ils sont passés à un état vitreux. Cette transition est similaire à la formation de verre, car les chercheurs ont noté un ralentissement rapide du mouvement, l’effet de cage et l’hétérogénéité dynamique (par laquelle les molécules parcourent de plus longues distances dans certaines zones mais se déplacent à peine dans d’autres).

Ce verre bactérien se distingue des autres substances vitreuses par la formation spontanée de « microdomaines » et le mouvement collectif des bactéries dans ces zones. Ces phénomènes se produisent lorsque des groupes d’E. coli en forme de bâtonnets s’alignent de la même manière.

Les chercheurs ont également été surpris de constater que la façon dont les bactéries se vitrifient (passent à un état vitreux) viole apparemment une loi physique des systèmes thermiques typiques. Ce que nous connaissons généralement sous le nom de verre, y compris le verre colloïdal, est classé dans la catégorie des verres thermiques. Cependant, les chercheurs ont récemment commencé à explorer les états vitreux, comme celui décrit dans cet article, qui ne sont pas considérés comme du verre thermique mais partagent bon nombre des mêmes propriétés.

« Les collections de « particules autopropulsées » comme celles que nous voyons ici ont récemment été considérées comme un nouveau type de matériau appelé matière active, qui est actuellement un sujet brûlant et présente un grand potentiel », a expliqué Takeuchi.

« Nos résultats sur le verre bactérien s’inscrivent dans cette ligne de recherche, en étendant ce concept au domaine des matériaux vitreux. À long terme, nos résultats pourraient contribuer au développement de nouveaux matériaux dotés de fonctions impossibles à réaliser avec des matériaux ordinaires. »

L’équipe souhaite ensuite étudier comment ce phénomène se produit avec d’autres espèces de bactéries dans des environnements différents. Les recherches en cours ont jusqu’à présent montré qu’il existe différentes façons pour les cellules de se regrouper.

Takeuchi a déclaré : « Nos résultats indiquent que les bactéries denses peuvent modifier radicalement leur mobilité et leurs propriétés mécaniques au niveau de la population, par un changement minime de la densité cellulaire. Ces informations pourraient être utilisées pour réguler ou contrôler les formations de bactéries denses à l’avenir. Grâce à nos travaux, nous espérons établir des liens plus profonds et plus larges entre la physique statistique et les sciences de la vie. »