Les physiciens déterminent ce qui contrôle la croissance du biofilm

De la plaque dentaire collée aux écumes sur un étang, les biofilms sont présents presque partout. Ces colonies de bactéries se développent sur les dispositifs médicaux implantés, sur notre peau, nos lentilles de contact, dans nos intestins et nos poumons. On les trouve dans les égouts et les systèmes de drainage, à la surface des plantes et même dans l’océan.

« Certaines recherches indiquent que 80 % des infections dans le corps humain peuvent être attribuées aux bactéries qui se développent dans les biofilms », explique Aawaz Pokhrel, étudiant au doctorat au Georgia Institute of Technology et auteur principal d’une nouvelle étude qui utilise la physique pour étudier la façon dont ces biofilms se développent.

L’article, « Les bases biophysiques de la croissance des colonies bactériennes », a été publié dans Physique de la nature Cette semaine, l’étude a montré que la forme physique d’un biofilm (sa capacité à croître, à s’étendre et à absorber les nutriments du milieu ou du substrat) est largement influencée par l’angle de contact que forme le bord du biofilm avec le substrat. L’étude a également révélé que cette géométrie a une plus grande influence sur la forme physique que toute autre chose, y compris la vitesse à laquelle les cellules peuvent se reproduire.

« Cela a été une grande surprise pour nous », explique l’auteur correspondant Peter Yunker, professeur associé à l’école de physique de Georgia Tech. « Nous nous attendions à ce que la géométrie joue un rôle important, et nous pensions qu’il serait important de déterminer exactement ce qu’est la géométrie pour comprendre pourquoi le taux d’expansion de la portée, par exemple (le taux auquel le biofilm se propage sur la surface au fil du temps) est constant. Mais nous n’avons pas commencé le projet en pensant que la géométrie serait le facteur le plus important. »

Comprendre comment les biofilms se développent et quels facteurs contribuent à leur taux de croissance pourrait conduire à des informations cruciales sur leur contrôle, avec des applications pour la santé humaine, comme le ralentissement de la propagation des infections ou la création de surfaces plus propres.

« Ce qui m’a enthousiasmé, c’est cette opportunité d’utiliser la physique pour en apprendre davantage sur les systèmes biologiques complexes », ajoute Pokhrel, qui est également doctorant dans le laboratoire de Yunker. « Surtout dans le cadre d’un projet qui a tant d’applications. La combinaison de l’importance pour la santé humaine et de la recherche passionnante était vraiment intrigante pour moi. »

Une nouvelle méthode

Bien que les biofilms soient omniprésents dans la nature, leur étude s’est révélée difficile. Comme ces « cités de micro-organismes » sont constituées de minuscules individus, les scientifiques ont eu du mal à les photographier avec succès.

Cela a changé en 2015, lorsque Yunker a commencé à se demander si l’interférométrie, une technique d’imagerie couramment utilisée en physique et en science des matériaux, pouvait être appliquée aux biofilms.

« Étant donné ma formation en physique, je connaissais déjà son utilisation dans les applications liées aux matériaux », se souvient Yunker. « J’ai pensé qu’il pourrait être intéressant d’appliquer cette technique à plus grande échelle, car nous savons, grâce à des décennies de physique, que les interfaces de surface contiennent beaucoup d’informations sur les processus qui les créent. »

La technique s’est révélée simple, efficace et rapide, offrant une résolution à l’échelle nanométrique des colonies bactériennes. « Elle nous permet d’obtenir une image de la topographie (la forme de la surface de la population bactérienne) avec une super-résolution », ajoute Yunker.

En s’appuyant sur l’interférométrie, l’équipe a commencé à mener de nouvelles expériences sur les biofilms, en étudiant comment les formes des colonies évoluaient au fil du temps. Gabi Steinbach, co-auteure principale, ancienne chercheuse postdoctorale dans le laboratoire de Yunker et aujourd’hui coordinatrice de recherche scientifique à l’Université du Maryland, a remarqué que chaque colonie avait une forme spécifique lorsqu’elle était petite : une calotte sphérique, comme une tranche du sommet d’une sphère, ou une goutte d’eau. C’est une forme qui apparaît souvent en physique, et qui a suscité l’intérêt de l’équipe.

« En physique, une calotte sphérique est très intéressante, car c’est une forme qui minimise la surface », ajoute Pokhrel. « J’étais curieux de savoir pourquoi un matériau biologique se développait sous cette forme, et nous avons commencé à nous demander s’il y avait une part de physique dans tout cela, peut-être que la géométrie était impliquée. Cela nous a fait penser que nous pourrions peut-être développer un modèle. Et cela m’a vraiment enthousiasmé. »

Un mystère mathématique

Mais les chercheurs se sont vite heurtés à un obstacle. « Nous avons pu constater que les colonies avaient d’abord une forme sphérique, mais qu’elles s’écartaient de cette forme au fur et à mesure de leur croissance », explique Pokhrel. « Et la forme qu’elles prenaient était difficile à décrire avec la géométrie des calottes sphériques existante. »

« Le milieu n’a pas grandi aussi vite qu’il aurait dû pour conserver la forme sphérique de la calotte, et nous voulions relier tout cela à l’expansion de la zone d’habitat (la vitesse à laquelle la colonie s’est répandue sur une surface) », ajoute Yunker. « Mais nous savions que d’une certaine manière, la géométrie jouait un rôle très important. »

Finalement, Thomas Day, un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Yunker, aujourd’hui chercheur postdoctoral à l’Université de Californie du Sud et l’un des auteurs de l’article, a suggéré un problème de géométrie étrange appelé le problème du rond de serviette.

« Dès que nous avons commencé à réfléchir au problème du rond de serviette, nous avons pu commencer à développer une boîte à outils mathématique », explique Yunker, même si la solution n’a pas été facile. « Nous n’avons trouvé personne qui ait jamais étudié un rond de serviette en forme de boule auparavant, car cette application est très rare. »

Pokhrel et deux co-auteurs ont été chargés de déterminer la géométrie. Il a découvert que les cellules se développaient de manière exponentielle sur le bord de la forme, s’étendant davantage sur le support, tandis que les cellules du milieu se développaient vers le haut, créant une forme qui n’est pas sans rappeler celle d’un œuf dans une poêle à frire : le blanc d’œuf se dilatait vers l’extérieur, tandis que le jaune ne faisait que grandir.

C’était une découverte révolutionnaire : comme les cellules du milieu contribuaient uniquement à la hauteur du biofilm, l’équipe n’avait besoin de prendre en compte que le nombre de cellules situées au bord du biofilm et la forme qu’elles devaient adopter pour se développer et se propager.

Après avoir intégré leurs résultats dans un modèle mathématique, l’équipe a découvert que l’angle de contact était le facteur le plus important : l’angle formé par le bord du biofilm lorsqu’il touchait la surface sur laquelle il se développait. Cette seule qualité géométrique est encore plus importante pour la croissance d’un biofilm que la vitesse à laquelle il peut reproduire les cellules.

Le lien physique-biologie

Au total, le projet a duré plus de trois ans, de la conception à la publication. « Aawaz a vraiment fait un effort incroyable pour mener à bien ce travail », déclare Yunker. « Il a fallu de nombreuses années et de très nombreuses expériences. Mais le produit fini en vaut vraiment la peine. »

L’équipe espère que la recherche ouvrira la voie à de futures études, qui pourraient conduire à des applications telles que le contrôle de la croissance du biofilm pour aider à prévenir les infections.

« Il reste encore beaucoup de pistes de recherche à explorer », explique Pokhrel. « Par exemple, il faut étudier les expériences de compétition entre biofilms : les colonies les plus grandes modifient-elles leur angle de contact pour pouvoir se propager plus rapidement ? Quel rôle cette géométrie joue-t-elle dans la compétition ? »

« La biologie est complexe », explique Yunker. Dans la nature, la surface sur laquelle se développe un biofilm peut ne pas être aussi uniforme que celle d’un laboratoire, et les colonies peuvent présenter des mutations différentes ou être constituées de plusieurs espèces. « Mais nous devions d’abord comprendre ce qui se passe lorsque la température et la disponibilité des nutriments sont stables. »

Et bien que le modèle soit basé sur la façon dont les biofilms se comportent dans un environnement de laboratoire contrôlé, il constitue une première étape essentielle pour comprendre comment ils peuvent se comporter dans la nature.