Les bactéries peuvent contrôler où elles vont en utilisant un réseau de signalisation de molécules de protéines. Les scientifiques de l'AMOLF ont développé une méthode de microscopie qui leur permet de voir comment les bactéries individuelles utilisent ce réseau pour prendre des décisions. Ils ont découvert que les bactéries sont étonnamment diverses dans la personnalité et l'humeur. L'équipe a publié ses résultats dans la revue scientifique eLife le 12 décembre 2017.

Bactéries, étant des organismes unicellulaires, ne pas avoir de système nerveux, mais sont capables de contrôler leurs mouvements à l'aide d'un réseau de molécules de protéines qui interagissent de manière particulière, un peu comme les circuits des cellules nerveuses de notre cerveau. "Par exemple E. coli, une bactérie inoffensive qui vit dans notre intestin, « sait » comment interrompre son mouvement de nage par ailleurs rectiligne par des chutes occasionnelles qui le déclenchent dans un nouveau, direction aléatoire, " dit Tom Shimizu, chef de groupe du groupe de biologie des systèmes d'AMOLF. "E.coli utilise des protéines de capteur pour détecter des éléments tels que des molécules alimentaires ou des produits chimiques toxiques afin de décider si la vie s'améliore ou se détériore lorsqu'elle nage, et contrôle la fréquence à laquelle il tombe pour s'assurer qu'il se retrouve au bon endroit."

Zoom sur des cellules individuelles

Pendant de nombreuses années, les chercheurs ont étudié comment ces circuits moléculaires chez des bactéries comme E.coli réagissent aux changements de leur environnement, mais cela reposait sur des expériences où le signal devait être moyenné sur des centaines de cellules. Johannes Keegstra, un doctorant dans le groupe de Shimizu, a dirigé l'effort pour développer une méthode de microscopie qui permet aux chercheurs de voir comment le réseau de protéines dans chaque bactérie répond aux changements de l'environnement, par exemple, l'abondance de nourriture.

Personnalité

Les bactéries utilisées dans les expériences avaient exactement la même séquence d'ADN (comme des jumeaux identiques) et ont également été cultivées dans des conditions identiques. Néanmoins, les chercheurs ont découvert que le réseau protéique de chacun d'eux se comporte différemment dans le même environnement chimique. "Chaque bactérie semble avoir sa propre personnalité, " dit Keegstra. " Par exemple, nous avons constaté que la concentration chimique à laquelle les bactéries réagissent, varie considérablement d'une bactérie à l'autre.

Humeur

Outre les nettes différences de réponses entre les bactéries (personnalité), Shimizu et Keegstra ont également vu qu'au sein de chaque bactérie, l'activité moléculaire pourrait changer considérablement avec le temps. Ils ont constaté que la façon dont les molécules de protéines dans les bactéries interagissent pour contrôler le mouvement n'est pas stable, mais varie constamment dans le temps, même dans des environnements « calmes » sans aucun changement dans la quantité de nourriture ou de toxines. Cette « humeur maussade » des cellules signifie que le mécanisme avec lequel elles « décident » de culbuter ou de nager tout droit, ne reçoit pas une entrée constante, mais à la place une entrée qui varie de manière aléatoire.

Les chercheurs pensent que ces messages moléculaires variables doivent être causés par des événements aléatoires au sein de la cellule. "Nous pensons que l'individualité bactérienne que nous avons trouvée n'est due ni à la nature (séquences d'ADN) ni à la culture (caractéristiques de l'environnement), mais plutôt à des événements aléatoires comme des collisions moléculaires à l'intérieur de la cellule unique de la bactérie, un exemple classique de ce que les physiciens appellent « bruit », " dit Shimizu. " Surtout, les bactéries n'ont produit aucune nouvelle protéine pendant l'expérience. Cela signifie que si les différences de personnalité peuvent être causées par des différences de niveaux de protéines entre les bactéries, les sautes d'humeur devaient être le résultat du bruit dans la façon dont ces protéines interagissent dans chaque bactérie."

Recherche aléatoire de nourriture

"Nous avons été vraiment surpris de voir à quel point leurs sautes d'humeur sont drastiques, " ajoute Keegstra. " Et parce que nous savons que les bactéries peuvent empêcher ces molécules messagères d'interagir de manière si aléatoire, nous pensons qu'ils font probablement cela dans un but."

Le contrôle instable du mouvement peut être avantageux lorsque la nourriture est rare. Dans ce cas, le jeu consiste moins à répondre aux signaux sensoriels (comme les odeurs) qu'à explorer efficacement l'espace vide pour localiser des ressources rares. Les bactéries capricieuses feraient mieux d'explorer de grandes zones sans relief, car leur humeur aide à éviter de revenir au même endroit.

Keegstra :"La variation considérable de l'humeur des bactéries pourrait signifier que certaines bactéries agissent comme des éclaireurs qui explorent des territoires lointains pour des gains occasionnels mais importants, tandis que d'autres restent à proximité et exploitent efficacement les ressources locales. Une telle division du travail pourrait être utile à l'ensemble de la population."

Les nouvelles connaissances sur le bruit dans les réseaux biochimiques créent des opportunités biotechnologiques, aider les ingénieurs à construire des systèmes (comme des bactéries produisant de l'insuline, par exemple) qui sont soit plus résistants au bruit, soit en font un usage optimal. Les découvertes sur des différences plus stables (personnalité) dans le comportement bactérien peuvent également avoir un impact sur les stratégies médicales pour cibler les bactéries pathogènes sans nuire aux bonnes bactéries.

L'étude de l'AMOLF a été copubliée dans eLife avec un deuxième papier, « Sources multiples de fluctuations lentes de l'activité dans un réseau chimiosensoriel bactérien », par R. Colin et V. Sourjik de l'Institut Max-Planck de microbiologie terrestre.