Les collisions aident les bactéries à naviguer dans les bouchons

«Que ce soit dans les bancs de poissons, les vols d'oiseaux ou les foules humaines, se déplacer en groupe peut offrir sécurité et efficacité, mais cela peut aussi provoquer des blocages et des embouteillages», rappelle Alexandre Persat, professeur à l'EPFL. «La manière dont les individus concilient la coordination de leurs mouvements avec le besoin de s'écarter et d'explorer seuls reste une question centrale dans tous les systèmes vivants.»

Organismes collectifs parmi les plus simples, les bactéries pourraient fournir des indices pour relever ce défi. Elles vivent et se déplacent souvent dans des communautés denses, où les interactions physiques peuvent amener les cellules voisines à s'aligner et à se déplacer ensemble dans des courants coordonnés.

Cela crée un problème majeur: les individus peuvent se retrouver piégés au milieu d’un groupe, ce qui rend plus difficiles leur dispersion et leur exploration de nouveaux espaces. Cela empêche les bactéries de trouver de nouveaux nutriments ou d'échapper à des environnements encombrés et complexes, comme le sol ou les tissus hôtes.

Le contact, un système de régulation chez les bactéries

Le Laboratoire de mécanique microbiologique d’Alexandre Persat, en collaboration avec le Laboratoire de mécanique de la matière molle et biologique du Sangwoo Kim, aussi à l’EPFL, a découvert que les bactéries Pseudomonas aeruginosa résolvent ce problème grâce à un mécanisme sensoriel simple qui leur permet de réguler activement leur organisation collective par le contact. L'étude est publiée dans Nature Microbiology.

«En se déplaçant sur des surfaces, ces cellules sentent lorsqu'elles se heurtent à des voisines, détaille Laure Le Blanc, première autrice de l'article. En réponse, elles font volte-face en quelques secondes. Cette capacité permet à la population de rompre cette organisation dans les foules, tout en restant organisée là où c'est nécessaire, comme à la périphérie d'une colonie en croissance.»

Pour comprendre comment les collisions influencent le comportement de groupe, les scientifiques ont combiné microscopie en temps réel, suivi cellulaire individuel et simulations informatiques. Ils ont comparé des bactéries sauvages avec des mutants qui ne perçoivent pas les collisions. Afin de tester comment ces différentes souches naviguent dans des espaces confinés et remplis d'obstacles, ils ont construit des micro-labyrinthes.

Courses entre bactéries mutantes et sauvages

Les scientifiques ont mis à l’épreuve une souche mutante de P. aeruginosa. Cette souche est dépossédée d’un gène essentiel pour la motilité de la bactérie: contrairement à la souche sauvage, elle poursuit sa route, même après avoir heurté d'autres cellules ou des parois. Ils ont constaté que les bactéries mutantes parcouraient des distances plus importantes lorsqu'elles étaient seules, mais quand elles se déplaçaient ensemble, elles se retrouvaient rapidement piégées dans des amas denses.

En revanche, les bactéries sauvages, qui possèdent tous leurs gènes, tiraient des collisions avec d'autres bactéries des informations sur leur environnement. Dans les zones encombrées, les heurts fréquents provoquaient des changements de direction qui maintenaient le groupe désordonné et mobile. En périphérie de la colonie, où les cellules faisaient face à un espace ouvert, elles devenaient au contraire fortement alignées et se dirigeaient ensemble vers des territoires inexplorés.

Ce changement d'attitude a permis aux bactéries sauvages de naviguer aussi bien dans des environnements encombrés que dans des environnements structurés, en forme de labyrinthe. Dans le labyrinthe, seulement 1% des mutants a atteint la sortie en quatre heures. En revanche, les souches sauvages ont exploré en moyenne 92% du labyrinthe, avec 20% des bactéries atteignant finalement la sortie.

Cette découverte change notre compréhension de la navigation bactérienne en montrant que l'ordre collectif n'est pas seulement un résultat passif de la physique, mais un état activement régulé. Les bactéries transforment les interactions physiques en informations sensorielles pour contrôler le comportement de groupe. Ce mécanisme pourrait aider P. aeruginosa à se propager dans les tissus hôtes et à contribuer à la formation de biofilms lors des infections humaines.

Autres contributeurs

• Institut de bio-ingénierie de l'EPFL
• University of California San Diego
• Institut de génie mécanique de l'EPFL