Une équipe de recherche dirigée par l’Université du Minnesota Twin Cities a étudié la façon dont les bactéries nagent dans des fluides complexes, ce qui permet de comprendre comment les micro-organismes se déplacent dans différents environnements, comme leurs habitats naturels ou à l’intérieur du corps humain. Crédit : Groupe de recherche Cheng, Université du Minnesota
Des chercheurs de l’Université du Minnesota ont étudié pour la première fois comment les bactéries se déplacent dans des fluides contenant de petites particules solides.
Pendant des années, les auteurs de science-fiction ont écrit sur l’idée d’utiliser des micro-nageurs qui pourraient effectuer des opérations chirurgicales ou délivrer des médicaments aux humains. Aujourd’hui, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities a découvert comment les bactéries nagent dans différents fluides et environnements complexes, tels que le corps humain.
Leurs découvertes pourraient aider les scientifiques à mettre au point de nouveaux traitements contre les maladies causées par les bactéries et à concevoir des systèmes basés sur les bactéries pour administrer des médicaments dans le corps humain.
L’étude est publiée dans Nature, la principale revue scientifique multidisciplinaire du monde, évaluée par des pairs.
L’Université du Minnesota a une longue histoire avec la natation dans des fluides autres que l’eau. En 2004, Ed Cussler, alors professeur au département de génie chimique et de science des matériaux, a comparé la vitesse à laquelle un athlète universitaire de haut niveau nageait dans l’eau et dans une solution épaisse et sirupeuse de gomme de guar. Cette comparaison a débouché sur une découverte inattendue (et un prix IgNobel) : les humains peuvent nager aussi vite dans des solutions de gomme de guar que dans l’eau.
Près de deux décennies plus tard, une équipe multidisciplinaire de l’université du Minnesota s’est penchée à nouveau sur le problème, sauf que les nageurs sont maintenant des bactéries microscopiques au lieu d’athlètes universitaires. Ils ont découvert que les bactéries nagent encore plus vite dans des solutions épaisses que dans l’eau.
La “nage bactérienne”, comme on l’appelle communément dans la communauté des chercheurs, a été étudiée de manière intensive par les scientifiques depuis les années 1960. Des études antérieures ont montré que les bactéries nagent plus vite dans des solutions épaisses de polymères, c’est-à-dire des fluides contenant des polymères, qui sont des substances constituées de longues molécules en chaîne. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que cela était dû au fait que les bactéries pouvaient nager à travers le réseau formé par les molécules de la chaîne et qu’elles pouvaient étirer les chaînes pour faciliter leur propulsion.
Cependant, dans cette nouvelle étude, l’équipe de l’Université du Michigan a étudié pour la première fois comment les bactéries se déplacent dans des solutions de petites particules solides, au lieu de molécules en chaîne. Malgré de grandes différences dans la dynamique des polymères et des particules, ils ont constaté que les bactéries nageaient toujours plus vite, ce qui suggère qu’il doit y avoir une explication différente pour le déplacement des bactéries dans des fluides épais et complexes.
Les chercheurs de l’Université du Michigan ont une réponse possible. Ils pensent que, lorsque les bactéries nagent, la résistance créée par le passage des particules permet à leurs flagelles – les “queues” des bactéries qui tournent afin de les propulser vers l’avant – de mieux s’aligner avec leur corps, ce qui les aide à se déplacer plus rapidement.
Une cellule bactérienne “oscille” afin de se propulser vers l’avant à côté d’une particule colloïdale de taille micrométrique. Crédit vidéo : Cheng Research Group, Université du Minnesota.
“Les gens ont été fascinés par la nage des bactéries depuis l’invention des microscopes au 17ème siècle, mais jusqu’à présent, la compréhension était surtout limitée à des liquides simples comme l’eau”, a expliqué Shashank Kamdar, auteur principal de l’article, étudiant diplômé en génie chimique de l’Université du Minnesota et bénéficiaire de la bourse de recherche PPG. “Mais la question de savoir comment les bactéries se déplacent dans des situations réelles, comme dans le sol et les fluides de leur propre habitat, reste ouverte.”
Comprendre comment les bactéries se déplacent dans des environnements complexes et visqueux – le corps humain en étant un – peut aider les scientifiques à concevoir des traitements pour les maladies et même à utiliser les bactéries comme vaisseaux pour délivrer des médicaments aux humains.
“Plusieurs mécanismes ont été utilisés par les gens pour expliquer ce phénomène au cours des décennies, mais avec cette étude, nous fournissons une compréhension unifiée de ce qui se passe lorsque les bactéries nagent dans des solutions complexes”, a déclaré Xiang Cheng, auteur principal de l’article et professeur associé au département de génie chimique et de science des matériaux de l’Université du Minnesota. “Et il est important de comprendre comment les bactéries se déplacent dans un environnement complexe. Par exemple, un certain type de bactéries provoque des ulcères d’estomac. La muqueuse de l’estomac est un environnement visqueux. Il est donc important d’étudier comment les bactéries se déplacent dans ces environnements pour comprendre comment la maladiespreads.”
“En fin de compte, nous devrions tous apprendre des bactéries”, a ajouté Cheng. “Elles continuent à aller de l’avant malgré l’opposition”.
Référence : “La nature colloïdale des fluides complexes améliore la motilité bactérienne” par Shashank Kamdar, Seunghwan Shin, Premkumar Leishangthem, Lorraine F. Francis, Xinliang Xu et Xiang Cheng, 30 mars 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-022-04509-3
Outre Cheng et Kamdar, l’équipe comprenait Lorraine Francis, professeur émérite du College of Science and Engineering de l’Université du Minnesota et titulaire de la chaire 3M d’apprentissage par l’expérience, Seunghwan Shin, chercheur diplômé du département de génie chimique et de science des matériaux, ainsi que Premkumar Leishangthem et Xinliang Xu, chercheurs du Beijing Computational Science Research Center.
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (NSF) et le partenariat industriel de l’Université du Minnesota pour la recherche en ingénierie interfaciale et des matériaux (IPRIME).
