Visqueux, les tapis bactériens difficiles à nettoyer appelés biofilms causent des problèmes allant des infections médicales aux drains bouchés et aux équipements industriels encrassés. Maintenant, des chercheurs de Princeton ont trouvé un moyen de décoller proprement et complètement ces boues notoires.

En regardant les films du point de vue de l'ingénierie mécanique, ainsi que biologique, les chercheurs ont montré qu'en utilisant de l'eau pour pénétrer la jonction entre les biofilms et les surfaces, couplé à un peeling doux, peut entraîner des enlèvements impeccables. Ce résultat contraste avec les méthodes traditionnellement inefficaces de grattage ou de délogement mécanique des biofilms, qui laissent parfois derrière elles des plaques encore adhérentes qui repoussent et se recontaminent.

La nouvelle méthode d'élimination devrait aider à contrecarrer les biofilms nocifs, ainsi que de contrôler les biofilms bénéfiques de plus en plus utilisés pour le traitement des eaux usées, piles à combustible microbiennes et autres applications.

"Nous avons découvert un moyen simple et efficace d'éliminer les biofilms désagréables d'une variété de surfaces, " dit Jing Yan, un chercheur associé travaillant conjointement dans les laboratoires de Princeton de Howard Stone, le Donald R. Dixon '69 et Elizabeth W. Dixon professeur de génie mécanique et aérospatial, et Bonnie Bassler, le professeur Squibb de biologie moléculaire et chercheur au Howard Hughes Medical Institute.

L'oeuvre, faire le pont entre la biologie moléculaire, science des matériaux et génie mécanique, profité des communautés de recherche collaborative entre la biologie moléculaire et l'ingénierie.

Yan est le co-auteur principal de l'article décrivant les résultats, publié le 8 octobre dans Matériaux avancés , avec Alexis Moreau, qui était un étudiant invité au laboratoire de Stone et est maintenant de retour à l'Université de Montpellier en France.

« En étudiant et en définissant les propriétés matérielles des biofilms bactériens, plutôt que leurs propriétés biologiques, nous avons inventé une nouvelle méthode pour détacher des biofilms entiers, " a déclaré le co-auteur de l'étude Bassler.

Les autres auteurs de l'étude sont Ned Wingreen, le professeur Howard A. Prior des sciences de la vie; Andrej Košmrlj, un professeur adjoint de génie mécanique et aérospatial; Sepideh Khodaparast, un ancien chercheur dans le laboratoire de Stone maintenant à l'Imperial College de Londres; chercheur associé Sampriti Mukherjee; chercheurs postdoctoraux Jie Feng, Sheng Mao et Antonio Perazzo; et l'étudiant diplômé Chenyi Fei.

Pour leur enquête, les chercheurs de Princeton se sont tournés vers la bactérie Vibrio cholerae, qui forme des biofilms dans l'eau de mer, l'eau douce et dans l'intestin humain. Les mesures ont révélé que les biofilms qu'il produit présentent des comportements mécaniques très similaires aux hydrogels, qui sont des matériaux largement étudiés dans le laboratoire de Stone.

Bien caractérisé, les hydrogels manipulables ont de nombreuses applications, notamment en biomédecine, y compris le pansement, l'administration de médicaments et l'ingénierie tissulaire. Les biofilms et les hydrogels sont en grande partie constitués d'eau (environ 90 pour cent). Ils possèdent des réseaux structurels définis qui les rendent souples, visqueux et élastique. Leur extensibilité a une limite, toutefois. S'il est dérangé trop vigoureusement, les biofilms et les hydrogels se briseront en morceaux. Cette fragilité pose un défi pour l'élimination du biofilm. Il empêche également le transfert intentionnel de films bénéfiques entre les surfaces, par exemple en milieu industriel, et lors de l'exécution d'expériences en laboratoire pour étudier les biofilms en premier lieu.

Pour savoir comment éviter une telle fragmentation, l'équipe de Princeton a examiné la fixation des biofilms de V. cholerae à divers types de surfaces. Les chercheurs ont constaté que les bords des biofilms étaient hydrofuges, tandis que les surfaces auxquelles ils adhéraient étaient parfois attrayantes pour l'eau. Sur la base de cette intuition, les chercheurs ont cherché à creuser un coin entre le biofilm et la surface attachée en poussant de l'eau dans l'espace où les matériaux se rencontrent. Cette technique, connu sous le nom de peeling capillaire, a réussi à créer une fissure d'allongement qui a abouti à une séparation complète du biofilm de la surface. L'épluchage à l'aide d'eau doit être lent pour éviter les déchirures du biofilm, comme pour retirer soigneusement un autocollant, mais les résultats ont montré que le temps supplémentaire en valait la peine. "Notre méthode de peeling capillaire a incroyablement bien fonctionné, " dit Yan.

Un obstacle au déploiement de la méthode en dehors du laboratoire est que de nombreux biofilms existent dans des environnements déjà aqueux, où le pelage capillaire semble être un non-starter. Pour ces cas, Yan et ses collègues ont proposé deux solutions potentielles à explorer dans de futures recherches. Pour les biofilms initialement cultivés sous l'eau, le film et son objet collé pourraient être retirés de la solution et séchés avant les tentatives de retrait. Alternativement, l'introduction de bulles à l'interface biofilm-substrat pourrait fournir le même type de force capillaire.

Globalement, la nouvelle étude illustre la valeur d'une approche multidisciplinaire, faire le pont entre différents domaines pour obtenir de nouvelles idées clés.

Les systèmes biologiques doivent obéir aux lois de la physique et, dans de nombreux cas, utiliser également la physique pour atteindre leurs objectifs, dit Shmuel Rubinstein, un professeur agrégé de physique appliquée à l'Université Harvard qui n'était pas impliqué dans la recherche. "L'équipe interdisciplinaire de cette étude qui associe ingénierie, la théorie et la biologie sont en effet parfaites pour le problème complexe des biofilms."

" Dirigé par Jing, les étudiants et post-doctorants ont fait un travail incroyable en développant une compréhension détaillée du lien entre les composants biologiques et les propriétés mécaniques macroscopiques des biofilms, " a déclaré Stone. "Notre démonstration que les biofilms peuvent être pelés - intacts - peut s'avérer utile dans une multitude de façons à l'avenir. "