Une étude menée par des chercheurs de l'Université de l'Indiana, publié le 26 octobre dans la revue Science , rapporte une nouvelle méthode pour déterminer comment les bactéries détectent le contact avec les surfaces, une action qui déclenche la formation de biofilms - des structures multicellulaires qui causent des problèmes de santé majeurs chez les personnes et menacent les infrastructures critiques, comme les réseaux d'aqueduc et d'égout.

On estime que les biofilms contribuent à environ 65% des infections humaines et entraînent des milliards de coûts médicaux chaque année. Ils ont tristement joué un rôle dans les niveaux dangereux de coliformes dans l'approvisionnement en eau de 21 millions d'Américains au début des années 1990 et, plus récemment, a probablement joué un rôle dans plusieurs épidémies de maladie du légionnaire à Flint, Michigan. Ils contribuent également régulièrement aux épidémies mondiales de choléra.

Les biofilms causent de graves dommages dans l'industrie, y compris le colmatage des systèmes de filtration d'eau ou le ralentissement des cargos en « encrassant biologiquement » les coques des véhicules, coûtant environ 200 milliards de dollars par an rien qu'aux États-Unis. Il existe également des biofilms bénéfiques, tels que ceux qui facilitent la digestion ou aident à décomposer la matière organique dans l'environnement.

Les chercheurs, dirigé par le professeur émérite de biologie de l'IU Yves Brun, découvert la façon dont les bactéries détectent et s'accrochent aux surfaces. Les chercheurs ont également découvert une méthode pour tromper les bactéries en leur faisant croire qu'elles détectent une surface.

L'équipe a montré que les bactéries utilisent des appendices ressemblant à des cheveux ultra-fins appelés pili qui s'étendent de la cellule et se rétractent dynamiquement pour toucher et coller aux surfaces et finalement produire des biofilms. Les pili s'arrêtent de bouger après avoir détecté une surface, après quoi les bactéries commencent à produire une substance extrêmement collante, ou "bioadhésif, " qui entraîne l'attachement aux surfaces et la formation de biofilm.

Pour tromper les bactéries en leur faisant sentir une surface, L'équipe de Brun a attaché une grosse molécule de maléimide aux pili pour bloquer efficacement le mouvement des structures ressemblant à des cheveux.

"C'est comme essayer de tirer une corde avec un nœud au milieu à travers un trou - la molécule de maléimide ne peut pas passer à travers le trou que la cellule utilise pour étendre et rétracter les pili, " a déclaré Courtney Ellison, l'auteur principal de l'étude et un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Brun.

"Ces résultats nous ont dit que les bactéries perçoivent la surface comme un pêcheur sait que sa ligne est coincée sous l'eau, " ajouta Brun. " C'est seulement quand ils enroulent la ligne qu'ils sentent une tension, ce qui leur dit que leur ligne est attrapée. Les pili des bactéries sont leurs lignes de pêche."

La découverte est possible grâce à la nouvelle méthode de l'équipe pour observer comment les bactéries utilisent les pili pour propager des biofilms. Ils ont accompli cette observation avec des colorants de fluorescence délivrés par des experts - délivrés sur le dos de molécules de maléimide plus petites - qui ont révélé le mouvement de ces "membres" microscopiques.

"En utilisant des colorants fluorescents pour marquer ces structures microscopiques, nous sommes capables de produire des images qui montrent la première preuve directe du rôle que jouent les pili pour détecter les surfaces, " dit Brun.

Afin d'observer le mouvement des pili, l'équipe d'IU a dû relever un défi :comment visualiser les structures extrêmement fines et leur mouvement. Ils l'ont fait en remplaçant un seul acide aminé dans la chaîne d'acides aminés qui composent le pili par un autre acide aminé appelé cystéine. Le maléimide, qui a livré les colorants fluorescents aux protéines de pili, se lie à la cystéine. Le maléimide est également la molécule utilisée pour délivrer la grosse molécule à la cystéine dans la protéine pili afin de bloquer physiquement le mouvement des pili.

"C'est comme allumer une lumière dans une pièce sombre, " dit Ellison. " Les pili sont composés de milliers de sous-unités protéiques appelées pilines, avec chaque protéine de la chaîne composée d'acides aminés disposés comme un enchevêtrement de lumières de Noël grillées. Échanger une seule lumière peut illuminer toute la chaîne."

Concevoir une molécule de cystéine qui pourrait remplacer un acide aminé dans les pilines sans affecter le comportement global des pili était un défi majeur, elle a ajouté. Les bactéries utilisées dans l'expérience étaient Caulobacter crescentus, une bactérie couramment utilisée dans les expériences de laboratoire.

« Nous avons également utilisé cette méthode dans cette étude pour visualiser les trois types de pili produits par Vibrio cholerae, une bactérie qui cause le choléra, " a déclaré le co-auteur de l'étude Ankur Dalia, professeur adjoint de biologie à l'IU. "Les pili sont essentiels à de nombreux aspects de la virulence de Vibrio, et nous utilisons maintenant cet outil puissant pour comprendre comment ils les utilisent."

Prochain, Brun et ses collègues espèrent découvrir des mécanismes précis qui relient le mouvement des pili et la production de bioadhésifs, car les deux processus semblent liés mais la nature exacte de la connexion reste inconnue.

"Plus nous comprenons la mécanique des pili dans la formation et la virulence du biofilm, plus nous pouvons manipuler le processus pour éviter les dommages aux personnes et aux biens, " dit Brun.