Des chercheurs de l’UC San Diego ont découvert que Bacillus subtilis, une bactérie présente dans le sol, crée des anneaux concentriques qui rappellent les “rayures” de développement créées par une horloge de segmentation. Les chercheurs ont découvert que les biofilms bactériens utilisent un processus d’horloge et de front d’onde pour la structuration des cellules, similaire à celui des plantes et des animaux. Crédit : Kwang-Tao Chou
Découverte d’un mécanisme génétique qui permet aux communautés de cellules bactériennes de s’organiser en segments étonnamment sophistiqués, révélant une similitude avec le développement des plantes et des animaux.
Au cours des dernières années, les recherches menées par le laboratoire du biologiste Gürol Süel de l’Université de Californie à San Diego ont mis en évidence une série de caractéristiques remarquables présentées par des groupes de bactéries qui vivent ensemble dans des communautés appelées biofilms.
Les biofilms sont très répandus dans le monde vivant, ils peuplent les tuyaux d’égouts, les comptoirs de cuisine et même la surface de nos dents. Une étude précédente a démontré que ces biofilms emploient… des systèmes sophistiqués pour communiquer entre eux, tandis qu’une autre a prouvé que les biofilms ont une forte capacité de mémoire.
Le laboratoire de Süel, en collaboration avec des chercheurs de l’université de Stanford et de l’université Pompeu Fabra en Espagne, vient de découvrir une caractéristique des biofilms qui révèle que ces communautés sont bien plus avancées qu’on ne le pensait auparavant. L’étudiant diplômé en sciences biologiques Kwang-Tao Chou, l’ancienne étudiante diplômée en sciences biologiques Daisy Lee, Süel et leurs collègues ont découvert que les cellules des biofilms sont organisées selon des schémas élaborés, une caractéristique qui n’était auparavant associée qu’à des organismes de niveau supérieur tels que les plantes et les animaux. Les résultats, qui décrivent l’aboutissement de huit années de recherche, sont publiés le 6 janvier 2022 dans le journal Cellule.
Représentation artistique de cellules dans le processus de l’horloge et du front d’onde, un mécanisme sophistiqué de structuration du développement associé aux organismes multicellulaires. On pensait que les communautés d’organismes unicellulaires étaient dépourvues de ce mécanisme sophistiqué. Crédit : Nicholas Wilson
“Nous constatons que les biofilms sont beaucoup plus sophistiqués que nous le pensions”, a déclaré Süel, professeur à l’UC San Diego, dans la section de biologie moléculaire de la division des sciences biologiques, et affilié au San Diego Center for Systems Biology, au BioCircuits Institute et au Center for Microbiome Innovation. “D’un point de vue biologique, nos résultats suggèrent que le concept de structuration cellulaire au cours du développement est beaucoup plus ancien qu’on ne le pensait. Apparemment, la capacité des cellules à se segmenter dans l’espace et dans le temps n’est pas apparue seulement avec les plantes et les vertébrés, mais pourrait remonter à plus d’un milliard d’années.”
Les biofilms bactériens forment des segments (en vert) au cours de leur croissance, comme les vertébrés au cours de leur développement. Film Time-lapse (à gauche) et projection maximale (à droite) d’un biofilm de Bacillus subtilis. La couleur verte indique la réponse au stress de l’azote comme indiqué par PnasA-yfp. Les images de fluorescence ont été superposées aux images de fond clair correspondantes. Barre d’échelle, 1 mm. Crédit : Kwang-Tao Chou
Les communautés de biofilms sont composées de cellules de différents types. Auparavant, les scientifiques ne pensaient pas que ces cellules disparates pouvaient être organisées en motifs complexes régulés. Pour cette nouvelle étude, les scientifiques ont développé des expériences et un modèle mathématique qui ont révélé la base génétique d’un mécanisme “d’horloge et de front d’onde”, qui n’était auparavant observé que dans des organismes très évolués allant des plantes aux mouches à fruits en passant par les humains. Au fur et à mesure que le biofilm s’étend et consomme des nutriments, une “vague” d’épuisement des nutriments se déplace à travers les cellules de la communauté bactérienne et fige une horloge moléculaire à l’intérieur de chaque cellule à un moment et une position spécifiques, créant ainsi un modèle composite complexe de segments répétés de types cellulaires distincts.
La percée des chercheurs a été la capacité d’identifier le circuit génétique qui sous-tend la capacité du biofilm à générer des anneaux concentriques de modèles d’expression génétique à l’échelle de la communauté du biofilm. Les chercheurs ont ensuite été en mesure de modéliser des prédictions montrant que les biofilms pouvaient intrinsèquement générer de nombreux segments.
“Notre découverte démontre que les biofilms bactériens emploient un mécanisme de structuration du développement que l’on croyait jusqu’à présent réservé aux vertébrés et aux systèmes végétaux”, notent les auteurs dans l’étude de cas. Cellule papier.
L’image montre un biofilm de B. subtilis en transition entre des cellules stressées (vert) et des cellules se différenciant en spores dormantes (magenta). Crédit :Kwang-Tao Chou
Les résultats de l’étude ont des implications pour une multitude de domaines de recherche. Les biofilms étant omniprésents dans notre vie, ils présentent un intérêt pour des applications allant de la médecine à l’industrie alimentaire, voire à l’armée. Les biofilms, en tant que systèmes capables de tester comment des systèmes cellulaires simples peuvent s’organiser en schémas complexes, pourraient être utiles en biologie du développement pour étudier des aspects spécifiques du mécanisme d’horloge et de forme d’onde qui fonctionne chez les vertébrés, par exemple.
“Nous pouvons voir que les communautés bactériennes ne sont pas seulement des globes de cellules”, a déclaré Süel, qui envisage des collaborations de recherche offrant des bactéries comme de nouveaux paradigmes pour étudier les modèles de développement. “Le fait de disposer d’un système bactérien nous permet d’apporter certaines réponses qui sont difficiles à obtenir dans les systèmes vertébrés et végétaux, car les bactéries offrent des systèmes plus accessibles expérimentalement qui pourraient apporter de nouvelles connaissances dans le domaine du développement.”
Référence : “A segmentation clock patterns cellular differentiation in a bacterial biofilm” par Kwang-Tao Chou, Dong-yeon D. Lee, Jian-geng Chiou, Leticia Galera-Laporta, San Ly, Jordi Garcia-Ojalvo et Gürol M. Süel, 6 janvier 2022, Cellule.
DOI: 10.1016/j.cell.2021.12.001
Les coauteurs de cet article sont : Kwang-Tao Chou (étudiant diplômé de l’université de San Diego), Dong-yeon Lee (ancien étudiant diplômé de l’université de San Diego, actuellement chercheur postdoctoral à l’université de Stanford), Jian-geng Chiou (chercheur postdoctoral de l’université de San Diego), Leticia Galera-Laporta (chercheur postdoctoral de l’université de San Diego), San Ly (ancien chercheur de l’université de San Diego), Jordi Garcia-Ojalvo (professeur de l’université Pompeu Fabra) et Gürol Süel (professeur de l’université de San Diego).
