Les scientifiques ont montré que la bactérie Pseudomonas aeruginosa communique à l’aide de signaux chimiques analogues aux signaux radio afin d’aider les cellules à s’unir et à former des communautés. Crédit : Janice Haney Carr/CDC
L’étude dirigée par UCLA pourrait avoir des implications pour la recherche médicale et la durabilité.
L’idée que des bactéries s’unissent pour former une communauté organisée socialement, capable de coopérer, de se concurrencer et de communiquer de manière sophistiquée, peut sembler à première vue relever de la science-fiction – ou être tout simplement dégoûtante.
Mais les communautés de biofilms ont des implications importantes pour la santé humaine, qu’il s’agisse de provoquer des maladies ou de faciliter la digestion. Et elles jouent un rôle dans toute une série de technologies émergentes destinées à protéger l’environnement et à produire de l’énergie propre.
Une nouvelle recherche menée par l’UCLA pourrait donner aux scientifiques des indications qui les aideront à cultiver des microbes utiles ou à éliminer les microbes dangereux des surfaces où des biofilms se sont formés – y compris sur les tissus et les organes du corps humain. L’étude, publiée dans le Proceedings of the National Academy of Sciencesdécrit comment, lorsque des biofilms se forment, les bactéries communiquent avec leurs descendants en utilisant un signal chimique analogue aux transmissions radio.
Les chercheurs ont montré que les niveaux de concentration d’une molécule messagère appelée diguanylate cyclique, ou c-di-GMP, peuvent augmenter et diminuer selon des schémas bien définis au fil du temps et des générations de bactéries. Selon l’étude, les cellules bactériennes utilisent ces signaux chimiques pour coder des informations à l’intention de leurs descendants, ce qui permet de coordonner la formation des colonies.
Dans ce phénomène, l’attachement d’une cellule donnée à une surface est influencé par la forme spécifique de ces oscillations – un peu comme la façon dont les informations sont stockées dans les ondes radio AM et FM.
“Comme ces oscillations orchestrent ce que fait toute la lignée, un grand nombre de cellules sont contrôlées en même temps par ces signaux”, a déclaré l’auteur correspondant, Gerard Wong, professeur de bio-ingénierie à la Samueli School of Engineering de l’UCLA et de chimie et biochimie au College de l’UCLA, et membre du California NanoSystems Institute de l’UCLA. “Cela signifie que nous disposons potentiellement d’un nouveau bouton pour contrôler ou régler avec précision la formation des biofilms, qui fonctionne comme une communication de masse pour les bactéries.”
Arrêter la formation de biofilms pourrait être salvateur dans certains cas, par exemple pour lutter contre les infections qui recouvrent la paroi des poumons des personnes atteintes de mucoviscidose.
Dans d’autres situations, il serait utile d’améliorer la capacité à cultiver les biofilms, par exemple en renforçant les colonies de “bonnes” bactéries dans l’intestin humain pour faciliter la digestion ou pour protéger les gens contre les microbes pathogènes. Des scientifiques et des ingénieurs, dont plusieurs de l’UCLA, travaillent à la mise au point de biofilms bactériens capables de décomposer le plastique, de manger les déchets industriels ou même de produire de l’électricité dans une pile à combustible.
L’étude ajoute de nouvelles dimensions à la compréhension scientifique des mécanismes qui conduisent aux biofilms. Le paradigme actuel, établi au cours des 20 dernières années environ, veut que lorsqu’une bactérie détecte une surface, cette cellule commence à produire du c-di-GMP, ce qui amène la bactérie à se fixer à la surface. En effet, les cellules des biofilms ont généralement des niveaux plus élevés de c-di-GMP que les cellules bactériennes qui se déplacent beaucoup.
La recherche sur les biofilms axée sur la capacité des bactéries à communiquer d’une génération à l’autre a été inaugurée par le premier auteur Calvin Lee, chercheur postdoctoral à l’UCLA, avec Wong et leurs coéquipiers, dans une publication de 2018. Dans l’étude actuelle, l’équipe élucide comment les bactéries communiquent sur l’existence d’une surface en utilisant des signaux c-di-GMP : Des ondes de signaux de différentes hauteurs et de différentes fréquences peuvent être transmises par une cellule à ses descendants.
Ces signaux chimiques sont analogues, respectivement, à la radio AM – modulation d’amplitude, qui code un signal donné en fonction de l’amplitude, ou hauteur, d’une onde radio – et à la radio FM – modulation de fréquence, qui code les signaux en fonction du nombre d’oscillations de l’onde pendant une période donnée.
Grâce aux techniques d’analyse généralement utilisées dans le domaine du big data et de l’intelligence artificielle, les chercheurs ont identifié trois facteurs importants qui contrôlent la formation du biofilm : les niveaux moyens de c-di-GMP, la fréquence des oscillations des niveaux de c-di-GMP et le degré de mouvement des cellules sur la surface où le biofilm se forme.
“Le paradigme existant est qu’une entrée produit une sortie, avec des niveaux croissants du signal conduisant à la formation du biofilm”, a déclaré Lee. “Nous proposons que de multipleset que les bactéries peuvent laisser des messages durables à leur progéniture. Il faut regarder plus de choses pour avoir une vue d’ensemble.”
Référence : “Broadcasting of amplitude- and frequency-modulated c-di-GMP signals facilitates cooperative surface commitment in bacterial lineages” par Calvin K. Lee, William C. Schmidt, Shanice S. Webster, Jonathan W. Chen, George A. O’Toole et Gerard C. L. Wong, 25 janvier 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2112226119
Les autres co-auteurs de l’étude sont les étudiants diplômés William Schmidt et Jonathan Chen de l’UCLA, ainsi que l’étudiante diplômée Shanice Webster et le professeur George O’Toole du Dartmouth College.
L’étude a été soutenue par les National Institutes of Health, le Army Research Office et la National Science Foundation.
