Crédit :Perez Ipiña et al.
Une équipe de chercheurs de l'Université Côte d'Azur et du Centre Scientifique de Monaco a récemment mené une étude visant à mieux comprendre les modes de nage des bactéries près de la surface. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , pourrait faire la lumière sur la façon dont les bactéries explorent les surfaces, comment ils recherchent des cellules hôtes et comment ils infectent ces cellules.
Les bactéries se déplacent souvent près de la surface de l'eau ou des substances aqueuses, qui se produit pour plusieurs raisons. D'abord, les nutriments dans les environnements aqueux s'accumulent généralement à leur surface. En outre, des cellules hôtes, qui sont particulièrement susceptibles d'être infectés par des bactéries pathogènes siègent également, ou font partie de, une surface (c'est-à-dire un tissu cellulaire).
Les chercheurs étudient les schémas de nage près de la surface des bactéries depuis plusieurs années. Des études antérieures suggèrent que ces modèles sont déterminés par des interactions hydrodynamiques entre les bactéries et la surface sur laquelle elles naviguent, qui finalement piègent les bactéries dans des trajectoires circulaires lisses qui conduisent à une exploration de surface inefficace.
La recherche en physique sur les schémas de nage des bactéries près de la surface suggère qu'une bactérie individuelle éprouve une attraction vers la surface, ainsi qu'un couple effectif provoqué par la rotation du faisceau flagellaire, ce qui l'oblige à tourner en rond. Cette observation bien documentée peut s'expliquer par les principes fondamentaux de la physique.
Lorsque l'on considère le tableau peint par ces observations, cependant, il est difficile de comprendre comment les bactéries peuvent survivre, car leurs interactions hydrodynamiques près de la surface apparaîtraient comme un obstacle sérieux à leur survie. Ce qui rend leur endurance dans des circonstances aussi défavorables encore plus déroutante, c'est le fait qu'en termes d'évolution, les bactéries devraient pouvoir explorer facilement les surfaces afin de trouver des nutriments et/ou de localiser les sites de colonisation.
Crédit :Perez Ipiña et al.
"Nous étions très intrigués par ces problèmes et soupçonnions que cette approche réductionniste de la mécanique des fluides ne pouvait pas être toute l'histoire, " Fernando Peruani, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Nous pensions que les bactéries devaient être capables de faire face à ce handicap :se faire piéger sur une orbite circulaire n'est certainement pas un moyen efficace d'explorer une surface. Avec cette idée en tête, nous avons décidé d'étudier comment différentes espèces bactériennes se déplacent sur les surfaces dans le but de comprendre comment l'exploration de surface est réellement effectuée."
Les travaux de Peruani et de ses collègues font partie d'un projet plus large visant à mieux comprendre comment les bactéries pathogènes infectent les cellules hôtes. Dans leur étude récente, ils ont utilisé la microscopie vidéo et suivi les bactéries dans une fenêtre d'observation relativement grande, afin d'obtenir de longues trajectoires bactériennes. Ils ont ensuite analysé les statistiques de ces trajectoires pour observer de près les schémas de nage de la bactérie près de la surface.
"Les changements brusques de vitesse affichés par les bactéries, qui indiquait que les bactéries s'arrêtaient par intermittence, nous a tout de suite intrigués, ", a déclaré Peruani. "Nous avons ensuite examiné la distribution des temps où les bactéries se déplaçaient et ne bougeaient pas et nous avons compris que si un formalisme de chaîne de Markov était utilisé pour décrire les données, trois états étaient nécessaires. Cette observation a joué un rôle clé dans notre recherche. »
Ensuite, les chercheurs ont revu les données qu'ils avaient recueillies et analysé les périodes au cours desquelles la bactérie s'était « arrêtée ». Ils ont observé que les bactéries étaient souvent attachées à la surface et tournaient autour de l'une des extrémités du corps cellulaire.
« La preuve était claire :les bactéries exploraient la surface en effectuant des événements d'adhésion transitoires, " Peruani a dit. " L'étape suivante était de construire une théorie pour un nageur qui a un état interne, contrôlé par une chaîne de Markov, qui adopte trois valeurs possibles, chacun d'eux associé à une équation de mouvement différente. C'était un défi technique, mais l'effort a payé."
Crédit :Perez Ipiña et al.
La théorie développée par Peruani et ses collègues leur a permis de conclure que la fréquence à laquelle les « arrêts » observés se produisaient était loin d'être aléatoire. Plutôt que d'entraver l'activité des bactéries, cette fréquence semblait maximiser leur exploration de surface.
L'étude menée par cette équipe de chercheurs a conduit à deux constats très importants. Premièrement, les chercheurs ont réalisé que les bactéries utilisent l'adhésion transitoire comme mécanisme pour réguler l'exploration de surface. Deuxièmement, ils ont observé l'existence d'une fréquence d'arrêt optimale, qui maximise l'exploration de surface. E. coli entérohémorragique (EHEC) et d'autres bactéries pathogènes semblent être capables d'ajuster cette fréquence à sa valeur optimale.
« Ces deux observations permettent de mieux comprendre comment les bactéries explorent les surfaces, ce qui est une étape nécessaire pour élucider comment ils recherchent des cellules hôtes, et comment les bactéries les infectent, " Peruani a déclaré. "Un message important de cette étude est qu'une compréhension physique de la façon dont les bactéries se déplacent sur les surfaces ne peut pas être basée exclusivement sur des interactions hydrodynamiques. Les interactions d'adhésion jouent également un rôle crucial. De plus, c'est l'interaction entre l'adhésion et l'activité du faisceau flagellaire qui permet aux bactéries de se réorienter et de s'échapper des pièges circulaires imposés par les interactions hydrodynamiques."
Les observations recueillies par Peruani et ses collègues offrent de nouvelles informations précieuses sur les modèles de nage près de la surface bien documentés des bactéries. Les chercheurs prévoient maintenant d'autres études visant à comprendre comment les bactéries pathogènes recherchent et infectent les cellules hôtes. Pour différentes espèces de bactéries, ils s'attendent à observer différentes stratégies de recherche et de colonisation. Cependant, ils soupçonnent également que le nombre de stratégies qu'ils observeront sera nettement inférieur au nombre d'espèces existantes de bactéries pathogènes.
« Un quantitatif, compréhension physique des infections bactériennes, qui manque encore, peut fournir des conseils sur la façon de prévenir les infections bactériennes, " Peruani a ajouté. "Notre étude, par exemple, indique que l'adhérence de surface joue un rôle crucial dans l'exploration de surface. D'autre part, l'adhérence de surface dépend des adhésines spécifiques des bactéries, ainsi que sur les propriétés physiques de la surface, et nous essaierons certainement de réfléchir à des moyens de modifier ces propriétés physiques."
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