Les biofilms pourraient favoriser un mode d'infection mécanique

iStock photos. Crédit: Dr_Microbe

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Des scientifiques de l’EPFL ont découvert que les forces mécaniques des biofilms bactériens suffisent à déformer les matériaux mous sur lesquels ils se développent, comme les tissus biologiques, ce qui suggère un mode d’infection bactérienne « mécanique ».

La plupart des bactéries vivent sur les surfaces en formant des structures appelées « biofilms ». Ces communautés abritent des milliers voire des millions de bactéries de différents types, et sont tellement complexes et actives sur le plan biologique que les scientifiques les ont comparées à des « villes ».

Les biofilms sont en fait le mode de vie de prédilection des bactéries. Ils se forment par la fixation des bactéries sur des surfaces aussi variées que le plancher océanique, les organes internes et les dents : la plaque dentaire est un exemple classique de biofilm. Mais les biofilms peuvent également provoquer des infections chroniques, comme l’agent pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa qui forme des biofilms dans les poumons des patients atteints de mucoviscidose.

Visualisation confocale des biofilms de V. cholerae déformant un substrat d'hydrogel mou avec des particules fluorescentes incorporées. Crédit : Alice Cont (EPFL)

Généralement, l’interaction entre le biofilm et l’hôte est considérée comme biochimique. Pourtant, certaines indications donnent à penser que l’interaction physique et mécanique entre eux pourrait être tout aussi importante, et méconnue, qu’une influence sur la physiologie de l’hôte. Par exemple, comment se forment les biofilms sur les tissus mous ?

C’est la question à laquelle une équipe de scientifiques sous la direction d’Alex Persat à l’EPFL s’est risquée à répondre. Publiant dans le journal eLife, ils montrent que les biofilms de deux bactéries pathogènes majeures, Vibrio cholerae et Pseudomonas aeruginosa, peuvent entraîner d’importantes déformations structurelles des matériaux mous comme les hydrogels.

Lorsque les bactéries forment des biofilms, elles se fixent sur une surface et commencent à se diviser. Parallèlement, elles s’enfouissent dans un mélange de polysaccharides, de protéines, d’acides nucléiques et de débris de cellules mortes. Ce mélange forme une substance collante appelée matrice de substances polymériques extracellulaires (EPS).

En se développant à l’intérieur de la matrice EPS, les bactéries l’étirent ou la compriment, exerçant une contrainte mécanique. La croissance du biofilm et les propriétés élastiques de la matrice EPS génèrent une contrainte mécanique interne.

Les scientifiques ont cultivé des biofilms sur des surfaces d’hydrogel molles et ont mesuré la manière dont ils exerçaient des forces sur des variations d’éléments EPS. Il a été démontré que les biofilms induisent des déformations en « gondolant » comme un tapis ou une règle. La taille des déformations dépend de la rigidité de l’hôte et de la composition de la matrice EPS.

Les chercheurs ont également découvert que les biofilms V. cholerae peuvent générer une contrainte mécanique suffisante pour déformer et endommager les monocouches de cellules épithéliales molles, comme celles qui tapissent la surface de nos poumons et de nos intestins. Autrement dit, les forces générées par la croissance des biofilms pourraient compromettre mécaniquement la physiologie de leur hôte. En bref, les biofilms pourraient favoriser un mode d’infection « mécanique », ce qui pourrait justifier une toute nouvelle approche de traitement.

Le laboratoire du professeur Alexandre Persat fait partie de l’Institut d’Infectiologie de l’EPFL, au cœur de laFaculté des sciences de la vie.

Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique

Fondation Gabriella Giorgi-Cavaglieri

Gebert Rüf Stiftung

Fondation Beytout

Références

Alice Cont, Tamara Rossy, Zainebe Al-Mayyah, Alexandre Persat. Biofilms deform soft surfaces and disrupt epithelia. eLife 07 October 2020. DOI: 10.1101/2020.01.29.923060