Les biologistes de l'Université de Columbia ont révélé un mécanisme par lequel les cellules bactériennes sont encombrées, les environnements privés d'oxygène accèdent à l'oxygène pour la production d'énergie, assurer la survie de la cellule. Cette découverte pourrait expliquer comment certaines bactéries, tel que Pseudomonas aeruginosa ( P. aeruginosa ), sont capables de prospérer dans des environnements pauvres en oxygène comme les biofilms et de résister aux antibiotiques.

" P. aeruginosa les infections par biofilm sont une cause majeure de décès chez les personnes atteintes de mucoviscidose, une maladie génétique qui affecte les poumons et le système digestif, " a déclaré le chercheur principal Lars Dietrich, professeur agrégé de sciences biologiques. « Une compréhension des voies qui contribuent à la survie et à la virulence des P. aeruginosa et d'autres bactéries capables d'exister dans des environnements privés d'oxygène pourraient éclairer les approches de traitement pour bon nombre de ces patients et d'autres patients immunodéprimés. »

L'étude paraît cette semaine dans la revue eLife .

Les bactéries vivent rarement par elles-mêmes en tant qu'organismes unicellulaires. La plupart grandissent plutôt dans les communautés, tirer parti de la force des nombres pour former un biofilm avec des propriétés semblables à celles d'un tissu semblable à un échafaudage qui sert à fortifier la communauté, ce qui en fait jusqu'à 1, 000 fois plus résistant à la plupart des antibiotiques.

Chaque cellule individuelle doit elle-même extraire des électrons des aliments qui sont ensuite transportés le long de la membrane cellulaire jusqu'à ce qu'ils atteignent une molécule d'oxygène. L'énergie libérée au cours de ce processus métabolique est utilisée pour maintenir la vie. Au fur et à mesure que les communautés de bactéries continuent de croître et de former un biofilm, cependant, ils peuvent devenir surpeuplés, créant un environnement dans lequel chaque cellule doit rivaliser pour obtenir des nutriments et de l'oxygène limités pour survivre.

La recherche a montré que certaines bactéries, comprenant P. aeruginosa , ont développé différentes stratégies pour répondre et faire face aux conditions de faible teneur en oxygène dans les biofilms. Les communautés de bactéries peuvent, par exemple, modifier la structure globale du biofilm afin que son rapport surface/volume soit plus élevé et qu'une plus grande proportion des cellules à l'intérieur puissent accéder à l'oxygène à l'extérieur. P. aeruginosa peut également fabriquer des molécules appelées phénazines, qui aident à transporter les électrons de l'intérieur vers l'extérieur de la cellule et finalement vers l'oxygène disponible à distance. Une autre stratégie consiste à fabriquer des versions alternatives des oxydases terminales, enzymes de la membrane qui transfèrent les électrons à l'oxygène, qui utilisent l'oxygène plus efficacement ou sont plus efficaces pour piéger l'oxygène lorsque sa concentration est faible. Bien qu'il y ait eu de nombreuses études réalisées pour examiner l'importance de ces enzymes et des stratégies pour P. aeruginosa croissance, elles ont été en grande partie conduites dans des cultures liquides bien oxygénées en laboratoire. Lorsque P. aeruginosa infecte un hôte réel, comme un humain, il se développe souvent sous forme de biofilm et rencontre des conditions très différentes.

Avec un financement fédéral des National Institutes of Health et de la National Science Foundation, Dietrich, premier auteur Jeanyoung Jo, et leurs collègues ont cherché à mieux comprendre si des oxydases terminales spécifiques sont importantes pour P. aeruginosa métabolisme dans les communautés de biofilms, comment les phénazines peuvent compenser les faibles niveaux d'oxygène, et comment ces stratégies adaptées peuvent contribuer à P. aeruginosa capacité de provoquer des infections.

Ils ont découvert que la chaîne de transport d'électrons si essentielle à la conversion des électrons en énergie peut et fonctionne profondément dans le biofilm privé d'oxygène et que dans ces environnements, la bactérie dépend d'une partie spécifique de l'oxydase terminale de la chaîne - une protéine appelée CcoN4 - pour accéder à l'oxygène et se développer normalement. Les cellules dépourvues de cette protéine ne survivent pas aussi bien que les cellules qui en contiennent et les chercheurs pensent donc que le CcoN4 contribue à la virulence de la bactérie. Ils ont également découvert que le CcoN4 joue un rôle dans l'utilisation optimale des phénazines dans les biofilms. Bien qu'il ait déjà été démontré que ces phénazines compensent métaboliquement les conditions de faible teneur en oxygène dans P. aeruginosa biofilms, le mécanisme permettant cela était resté un mystère scientifique.

"Cette bactérie est passée maître dans l'art de trouver différentes stratégies pour accéder à l'oxygène, " Dietrich a déclaré. "Nous savions que les phénazines étaient impliquées et qu'elles aidaient en quelque sorte la cellule à obtenir de l'oxygène, mais nous ne savions pas comment. Il semble qu'ils proviennent de la chaîne de transport d'électrons. C'est une révélation importante. Nous savons que les cellules bactériennes ont différentes façons de métaboliser l'énergie dans des environnements riches en oxygène, mais pendant très longtemps, nous n'avons pas pu comprendre comment ils faisaient quand l'oxygène est difficile d'accès. »

Les résultats pourraient avoir de grandes implications pour le traitement de P. aeruginosa infections par biofilm, comme une compréhension des voies qui contribuent à P. aeruginosa la survie et la virulence pourraient éclairer les approches thérapeutiques pour les patients. Développer des thérapies qui bloquent les oxydases terminales contenant du CcoN4, par exemple, affaiblirait la bactérie et sa capacité à provoquer une infection.

"Nous commençons à comprendre de plus en plus comment les cellules sont capables de survivre dans des circonstances assez horribles, " Dietrich a déclaré. "Nous comprenons le mécanisme. Maintenant, nous pouvons commencer à chercher des moyens d'arrêter ce processus."