Sous peine d'être nettoyé avec du désinfectant, les bactéries individuelles peuvent améliorer leurs chances de survie en se réunissant pour former des colonies, appelés biofilms. Qu'est-ce qu'Arnold Mathijssen, stagiaire postdoctoral en bio-ingénierie à l'Université de Stanford, voulait comprendre comment les biofilms stationnaires trouvent de la nourriture une fois qu'ils ont dévoré les nutriments à proximité.

Diriger une équipe internationale de chercheurs dans la création de simulations de la façon dont les fluides se déplacent, Mathijssen a découvert que les bactéries individuelles et les biofilms peuvent générer des courants suffisamment forts pour attirer des nutriments distants.

Dans leur travail, publié le 11 décembre dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont pu trouver des modèles prévisibles de la façon dont les fluides se déplacent en fonction des formes générales des biofilms, des idées qui pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines.

« Il y a une très forte universalité dans les propriétés physiques de la micro-hydrodynamique, " dit Mathijssen, qui travaille dans le labo de Manu Prakash, professeur agrégé de bio-ingénierie. "Nous avons parlé de bactéries mais nous pourrions remplacer le mot 'organisme' par 'micro-robot' et la physique serait exactement la même."

Commencer simplement

Lorsque les bactéries se déplacent, ils perturbent les liquides qui les entourent dans le monde microscopique. Les chercheurs ont exploré la force de cette perturbation dans une seule bactérie qui se déplace d'une manière similaire à celle de nombreuses espèces pathogènes, y compris ceux qui causent la gastrite et le choléra. Ils ont découvert que lorsque cette bactérie nage vers l'avant, il crée un courant minuscule mais stable dans le liquide environnant, le fluide se déplaçant vers son centre et s'éloignant de la tête et de la queue.

Puis, ils ont calculé les flux produits par une colonie de bactéries disposées au hasard et ont été surpris de voir que cela créait une forte, marée constante capable d'attirer des nutriments. Cela s'est produit quelle que soit l'orientation de chaque bactérie tant que la colonie était plus épaisse dans certaines zones que d'autres, ce qui fait passer le fluide des points hauts aux points bas. Des simulations de bactéries plus ordonnées ont entraîné une circulation encore plus forte.

Au sein de biofilms organisés, les chercheurs ont découvert deux schémas de mouvement communs :les vortex et les asters. Dans un modèle de vortex, les bactéries se déplacent en cercles concentriques et produisent un flux qui amène les nutriments au centre du biofilm, puis pousse le fluide sur les côtés. Dans un motif aster, les bactéries se déplacent vers un point central, créer un flux qui se déplace du bord du biofilm jusqu'à ce qu'il remonte, sur le centre.

"La chose puissante à ce sujet est que vous pouvez ajouter ces modèles, " a déclaré Mathijssen. " Plutôt que d'avoir à connaître la position et l'orientation de chaque bactérie, vous avez seulement besoin de connaître les modèles de base qui composent la colonie et il est alors très facile de dériver le flux de transport global."

Les chercheurs ont pu combiner des modèles de vortex et d'aster dans un seul biofilm pour déterminer comment les bactéries pousseraient, tirer et faire tourbillonner les fluides autour d'eux. Comme test final, les chercheurs ont effectué des calculs représentant le complexe, mouvement réaliste des essaims de bactéries - comme ils pourraient le faire à la surface d'une table - et a prédit la force du flux de transport de cet essaim. Le résultat était de grands tourbillons qui s'étendaient sur des distances au-delà des limites du biofilm, convient pour nourrir la colonie.

Voir ce qui est caché

Ce travail a commencé par une simple curiosité sur le flux invisible de fluides autour des bactéries. Mais ce que les chercheurs ont découvert pourrait être tout à fait pratique - guider les moyens de couper la source de nourriture d'un biofilm infectieux, par exemple. Quoi de plus, car il ne prend en compte que les formes et les mouvements d'une bactérie, la recherche pourrait également s'appliquer à des objets inanimés tels que des mécanismes d'administration de drogues synthétiques ou des micro-robots.

« Cela a commencé comme un problème relativement fondamental, mais s'est avéré plus pertinent pour les applications biomédicales que nous ne l'aurions prévu, " a déclaré Mathijssen. " C'est ce qui m'excite :nous venons de tomber sur une idée qui, par curiosité, nous a conduits dans une direction très différente de celle où nous avons commencé et ce que nous avons trouvé a beaucoup de potentiel."