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Qu'est-ce qu'un biofilm bactérien ?


Les bactéries produisent ce qu'on appelle un biofilm.

J'ai trouvé quelques définitions ; certains disent que c'est un complexe de bactéries vivantes et mortes et d'autres disent que c'est une couche sur la paroi cellulaire.

  1. De quoi est-ce fait?
  2. Quel est son but?
  3. Comment lutter contre les biofilms lorsque nous les rencontrons ?

Mis à part les cellules microbiennes elles-mêmes, les biofilms sont une matrice visqueuse constituée d'une variété de substances, notamment de l'ADN, des lipides, des protéines et d'autres molécules de signalisation, mais le composant principal est ce qu'on appelle une substance polymère extracellulaire (EPS), également connue sous le nom d'exopolysaccharides. . succinoglycane de Sinorhizobium meliloti

Ce sont des extracellulaires de haut poids moléculaire (exo) polymères (poly) de sucres (saccharides) liés entre eux en longues chaînes linéaires ou ramifiées, qui peuvent être modifiées par des fragments tels que phosphate, sulfate, acétate et succinate. Au fur et à mesure que le biofilm se forme (ci-dessous), des canaux peuvent se former dans l'EPS pour faciliter l'absorption et la distribution des nutriments, l'hydratation et la signalisation intercellulaire telle que la détection de quorum. Les biofilms sont souvent composés de plusieurs espèces de micro-organismes, des bactéries et archées aux champignons et algues, dont la structure sociale (et physique) dépend des espèces qui le composent.


Les biofilms bactériens sont un groupe de bactéries qui se sont attachées à une surface ou les unes aux autres comme un tapis flottant pour former une communauté en phase solide. Ce n'est pas tellement vu dans le laboratoire, mais ils sont communs dans la nature.

Les bactéries adhèrent non seulement à la surface, mais entre elles à travers une matrice de polymères qu'elles sécrètent.

Les bactéries dans un biofilm sont souvent résistantes aux produits chimiques, à la chaleur, aux acides et à d'autres changements dans l'environnement. C'est un trait pratiquement universel et il est généralement admis que toute bactérie peut former un biofilm. La plaque dentaire est un biofilm.

L'éradication d'un biofilm peut représenter beaucoup de travail car les bactéries sont séquestrées dans la matrice et quelque peu protégées. Un récurage ou des produits chimiques sont généralement utilisés.


Qu'est-ce qu'un biofilm bactérien ? - La biologie

Figure 1. Un biofilm à la surface de l'eau en bordure du Port de Saint-Goustan à Auray

Certains procaryotes peuvent être incultivables car ils nécessitent la présence d'autres espèces procaryotes. Jusqu'à il y a une vingtaine d'années, les microbiologistes considéraient les procaryotes comme des entités isolées vivant à part. Ce modèle, cependant, ne reflète pas la véritable écologie des procaryotes, dont la plupart préfèrent vivre dans des communautés où ils peuvent interagir. Comme nous l'avons vu, un biofilm est une communauté microbienne (figure 2) maintenue ensemble dans une matrice à texture gommeuse qui se compose principalement de polysaccharides sécrétés par les organismes, ainsi que de certaines protéines et acides nucléiques. Les biofilms se développent généralement attachés aux surfaces. Certains des biofilms les mieux étudiés sont composés de procaryotes, bien que des biofilms fongiques aient également été décrits, ainsi que d'autres composés d'un mélange de champignons et de bactéries.

Les biofilms sont présents un peu partout : ils peuvent provoquer le colmatage des canalisations et coloniser facilement les surfaces en milieu industriel. Lors des récentes épidémies à grande échelle de contamination bactérienne des aliments, les biofilms ont joué un rôle majeur. Ils colonisent également les surfaces domestiques, telles que les comptoirs de cuisine, les planches à découper, les éviers et les toilettes, ainsi que des endroits sur le corps humain, tels que la surface de nos dents.

Les interactions entre les organismes qui peuplent un biofilm, ainsi que leurs propriétés protectrices exopolysaccharidique (EPS) l'environnement, rendent ces communautés plus robustes que les procaryotes libres ou planctoniques. La substance collante qui maintient les bactéries ensemble exclut également la plupart des antibiotiques et des désinfectants, ce qui rend les bactéries du biofilm plus résistantes que leurs homologues planctoniques. Dans l'ensemble, les biofilms sont très difficiles à détruire car ils résistent à de nombreuses formes courantes de stérilisation.

Question de pratique

Il y a cinq étapes de développement du biofilm :

Figure 2. Cinq étapes du développement du biofilm sont présentées. Des micrographies d'un Pseudomonas aeruginosabiofilm dans chacun des stades de développement sont indiqués. (crédit : D. Davis, Don Monroe, PLoS)

  • Au cours de l'étape 1, fixation initiale, les bactéries adhèrent à une surface solide via de faibles interactions de van der Waals.
  • Au stade 2, l'attachement irréversible, des appendices ressemblant à des cheveux appelés pili ancrent définitivement les bactéries à la surface.
  • Au stade 3, maturation I, le biofilm se développe par division cellulaire et recrutement d'autres bactéries. Une matrice extracellulaire composée principalement de polysaccharides maintient le biofilm ensemble.
  • Au stade 4, maturation II, le biofilm continue de croître et prend une forme plus complexe.
  • Lors de l'étape 5, la dispersion, la matrice du biofilm est en partie décomposée, permettant à certaines bactéries de s'échapper et de coloniser une autre surface.

Par rapport aux bactéries flottantes, les bactéries présentes dans les biofilms présentent souvent une résistance accrue aux antibiotiques et aux détergents. Pourquoi pensez-vous que cela pourrait être le cas?


La modélisation mathématique définit le développement du biofilm bactérien

De nombreuses bactéries peuvent se fixer à des surfaces solides et se diviser jusqu'à ce que leur progéniture forme une structure appelée biofilm, comme celle montrée dans cette image stylisée produite par le Drescher Lab de l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre.

Le groupe de Jörn Dunkel du département de mathématiques du MIT s'associe à des scientifiques de laboratoire pour comprendre comment les bactéries interagissent entre elles et avec leur environnement.

Saïma Sidik

Saima Sidik est associée de recherche au laboratoire Lourido du Whitehead Institute. Cet article fait partie d'un effort ministériel visant à mettre en évidence les recherches biologiquement pertinentes menées en dehors des disciplines et des départements traditionnels des sciences de la vie au MIT.

« Le nœud du problème. » "La racine du problème." "La vérité de la question." Si souvent, nous voulons distiller des substances, des systèmes ou la vie, jusqu'à une seule essence : un chimiste isole des composés clés à partir de mélanges complexes, un écrivain cherche le noyau de vérité caché dans une histoire et un yogi médite pour trouver un sens intérieur. Au département de mathématiques du MIT, Jörn Dunkel se tourne vers les mathématiques pour découvrir les composants fondamentaux des processus physiques. Son groupe a récemment identifié des caractéristiques clés qui régulent la croissance bactérienne, des découvertes qui pourraient éventuellement réduire la fréquence des infections nosocomiales, rendre les antibiotiques plus efficaces et même créer des matériaux d'auto-guérison.

Le groupe de Dunkel crée des modèles mathématiques de systèmes physiques à mesure qu'ils évoluent dans le temps et dans l'espace. Ils ont étudié le flambage des élastiques, la rupture des pâtes et, plus récemment, la croissance des communautés bactériennes. On pourrait ne pas s'attendre à trouver un groupe de mathématiciens immergés dans la biologie, et pourtant le groupe Dunkel a fait de grands progrès dans la compréhension du processus par lequel les bactéries abandonnent leur capacité à nager, se fixent à une surface solide (comme la coque d'un bateau ou la paroi d'un tube digestif) et se divisent jusqu'à ce qu'ils forment un monticule appelé « biofilm ». Les biofilms protègent les cellules qu'ils contiennent, permettant à ces cellules de survivre à la pression immunitaire, aux antibiotiques et aux stress environnementaux, ce qui rend la formation de biofilms essentielle pour que certaines bactéries survivent dans des conditions difficiles. En comprenant les facteurs à l'origine de ces structures pathogènes, les chercheurs peuvent trouver des moyens de limiter la formation de biofilm.

En collaboration avec le laboratoire de Knut Drescher à l'Institut Max Planck de microbiologie terrestre, le groupe Dunkel construit des modèles mathématiques qui décrivent le développement des biofilms. Le laboratoire Drescher prend des vidéos haute résolution de biofilms qui se développent au cours de plusieurs heures, puis transmet ces vidéos au laboratoire Dunkel. Les mathématiciens passent au crible les vidéos, extrayant toutes sortes d'informations qui pourraient être biologiquement pertinentes : les orientations des cellules, le mouvement, le taux de division, la distance entre les cellules et bien d'autres caractéristiques.

Le groupe de Jörn Dunkel travaille sur un éventail de projets divers avec des collaborateurs du Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, de l'Université de Stanford et du laboratoire d'Adam Martin au MIT Biology. Crédit : Bryce Vickmark.

Ce n'est que récemment que les progrès de l'imagerie des biofilms ont permis aux chercheurs de voir des bactéries individuelles dans les biofilms et de mesurer les caractéristiques que le groupe Dunkel utilise dans leurs modèles. « Vous obtenez des ensembles de données si riches que les méthodes traditionnelles de création de modèles deviennent infaisables », explique Dunkel. "Il y a dix ans, cela n'aurait pas eu de sens de réfléchir à ces questions parce que nous n'avions pas la technologie pour y répondre."

Avec des données aussi étendues, le défi auquel les mathématiciens sont maintenant confrontés est de trouver comment décrire le comportement des biofilms en termes d'un ensemble minimal de leurs nombreuses caractéristiques. Et donc, avec une efficacité à couper le souffle qui ferait la fierté du gourou organisateur Marie Kondo, ils alignent toutes les mesures qu'ils peuvent faire, puis élaguent celles qui ne clarifient pas le système, jusqu'à ce qu'ils aient identifié le nombre minimal de caractéristiques qui peuvent expliquer le comportement de la bactérie. Leurs résultats indiquent que les forces d'attraction entre les bactéries, ainsi que les contraintes spatiales qu'elles subissent lorsqu'elles se reproduisent, sont essentielles pour façonner le développement du biofilm.

Le groupe Dunkel espère que leurs travaux permettront de limiter les infections bactériennes nosocomiales. Les dispositifs médicaux tels que les stimulateurs cardiaques ou les cathéters peuvent devenir des foyers pour ces accumulations bactériennes si ces dispositifs entrent en contact avec des gants sales ou de l'eau. À partir de là, les infections peuvent se propager et provoquer des infections du sang, des voies urinaires, de la peau et des poumons, entre autres problèmes. Parce que les bactéries au centre des biofilms sont protégées des antibiotiques, ces infections peuvent être très difficiles à traiter. Les modèles du laboratoire Dunkel révèlent que le simple fait de changer la forme d'un dispositif médical peut le rendre moins susceptible de favoriser la formation de biofilms, ou rendre les biofilms qu'il abrite plus sensibles au traitement antibiotique.

Phillip Pearce, professeur de mathématiques appliquées qui travaille avec Dunkel au MIT, dirige une branche de la recherche du groupe qui se concentre sur la façon dont les biofilms se développent lorsque du liquide se déplace sur eux : une situation qui est essentielle pour comprendre les biofilms dans les dispositifs médicaux où les liquides comme le sang et l'urine passent fréquemment. Il a expliqué comment lui et le reste du groupe Dunkel ont commencé avec une liste de caractéristiques de biofilm et de modèles dérivés qui ont identifié les processus physiques nécessaires pour expliquer ces caractéristiques observées.

Lorsque les bactéries se divisent, les nouvelles bactéries ont besoin d'un endroit où aller. Cela pose un problème pour les bactéries lorsqu'elles sont ancrées en place, car elles sont au milieu des biofilms. Comme ces bactéries ne peuvent pas toujours se propager horizontalement, les contraintes spatiales les obligent à se tenir debout, faisant croître le biofilm à la verticale. Il en résulte une structure très organisée avec les bactéries internes collant vers le haut, comme des lattes dans une palissade. Après avoir examiné de nombreuses combinaisons de caractéristiques du biofilm dans leurs modèles, le groupe Dunkel s'est rendu compte que les forces exercées par les bactéries lorsqu'elles se développent jouent un rôle majeur dans la détermination de cet arrangement de palissade. Les bactéries à l'avant du biofilm sont également forcées dans une orientation verticale, améliorant l'organisation régulière du biofilm.

En repensant les dispositifs médicaux pour inclure des formes complexes, les chercheurs pourraient être en mesure de limiter la capacité des bactéries qui les colonisent à afficher de telles dispositions régulières. Cela pourrait rendre les biofilms plus sensibles au traitement antibiotique ou les empêcher de se former en premier lieu.

Phillip Pearce est un instructeur au département de mathématiques du MIT qui a travaillé avec Dunkel pour comprendre comment les bactéries présentes dans les biofilms interagissent physiquement les unes avec les autres et avec leur environnement.

Alors que certains membres du groupe Dunkel tentent de contrecarrer la formation de biofilms, Boya Song, un étudiant diplômé, enquête sur des situations dans lesquelles les biofilms peuvent être utiles. Une partie de ce qui maintient ces structures ensemble est une matrice collante de protéines, de sucres et de graisses que les bactéries sécrètent. Le groupe Dunkel pense que s'ils peuvent manipuler la forme des biofilms, ils peuvent aussi manipuler la forme de cette matrice.

"Les biofilms pourraient être utilisés pour former de nouveaux biomatériaux basés sur les formes de réseau produites par les cellules", explique Song. Ces matériaux pourraient former des revêtements protecteurs pour les coques de bateaux ou pour les métaux immergés. Certaines bactéries déposent des minéraux, et ceux-ci pourraient être programmés pour réparer les os ou même réparer le ciment fissuré.

Dunkel est enthousiasmé par cette possibilité. « Peut-être que si nous comprenons la formation de biofilms, nous pouvons réellement les programmer ! » il dit.

Comprendre comment programmer les biofilms implique de comprendre les protéines de surface appelées « adhésines » qui agissent comme des crochets pour maintenir les bactéries ensemble. Les modèles du groupe Dunkel montrent que lorsque les bactéries sont dans un liquide presque stationnaire, les forces adhésives générées par ces protéines de surface dictent en grande partie la taille d'un biofilm et la disposition des cellules à l'intérieur.

Rachel Mok, une autre étudiante diplômée du groupe Dunkel, a testé son modèle d'adhésion en l'appliquant à des bactéries qui expriment des niveaux variables d'adhésine en réponse à des concentrations variables d'un médicament. Mok a ajusté son modèle pour tenir compte de cette manipulation expérimentale de la force d'attraction entre les bactéries, et elle a découvert qu'elle pouvait prédire comment les bactéries se comporteraient.

"C'est assez incroyable que même si nous avons négligé de nombreuses caractéristiques biologiques, comme la disponibilité des nutriments, nous pouvons toujours capturer la dynamique que nous voyons dans les biofilms à un stade précoce", dit-elle.

En plus de modifier les niveaux d'adhésine, le groupe Dunkel a des collaborateurs dans le laboratoire Riedel-Kruse de l'Université de Stanford qui peuvent faire varier le fonctionnement des adhésines. Les protéines adhésives typiques peuvent soit saisir d'autres protéines, soit elles peuvent être saisies. En conférant des adhésines génétiquement modifiées aux bactéries, ils ont pu séparer ces deux fonctions, résultant en un groupe de bactéries qui ne peut en attraper que d'autres, et un qui ne peut être qu'en attrapé. En mélangeant ces deux groupes dans des proportions différentes, ils peuvent manipuler la forme des biofilms résultants.

Song prévoit de combiner les connaissances du groupe Dunkel concernant les adhésines avec les découvertes de leurs collaborateurs pour mieux contrôler la forme du biofilm. Peut-être qu'un jour, la technologie qu'ils créent ensemble leur permettra d'utiliser des bactéries pour « imprimer » des matériaux sous la forme de leur choix. Étant donné que les bactéries à l'intérieur d'un biofilm peuvent sécréter des matériaux supplémentaires si la matrice est endommagée, il en résulterait un matériau de construction programmable, vivant et auto-cicatrisant. Les modèles que Song développe sont une première étape de ce projet ambitieux, qui a le potentiel de changer le visage de la science des matériaux.

De la microscopie haute résolution à la génétique bactérienne en passant par la modélisation mathématique, la détermination des biofilms est un problème intrinsèquement interdisciplinaire. Le groupe Dunkel a identifié des caractéristiques essentielles qui définissent le développement du biofilm, et leurs modèles prédisent comment ces structures se développent, que ce soit sur la coque d'un bateau ou en laboratoire. En mettant leurs esprits ensemble, eux et leurs collaborateurs réécrivent les règles d'approche des biofilms, que ce soit pour empêcher leur croissance ou pour l'exploiter.

Boya Song (à gauche) et Rachel Mok (à droite), tous deux étudiants diplômés du groupe Dunkel, déterminent les caractéristiques les plus importantes pour le développement du biofilm. Forts de ces connaissances, ils espèrent exploiter les biofilms à des fins constructives tout en les empêchant d'avoir un impact sur la santé humaine.


Des nanocristaux qui éradiquent les biofilms bactériens

Crédit : Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH)

La pandémie de COVID-19 fait craindre de nouveaux agents pathogènes tels que des virus ou des bactéries résistantes aux médicaments. Sur cette note, une équipe de recherche coréenne a récemment attiré l'attention sur le développement de la technologie permettant d'éliminer les bactéries résistantes aux antibiotiques en contrôlant la texture de surface des nanomatériaux.

Une équipe de recherche conjointe de POSTECH et UNIST a présenté des nanostructures à texture de surface à base d'oxyde mixte de FeCo (MTex) en tant que plate-forme magnéto-catalytique hautement efficace dans la revue internationale Lettres nano. L'équipe était composée des professeurs In Su Lee et Amit Kumar avec le Dr Nitee Kumari du département de chimie de POSTECH et le professeur Yoon-Kyung Cho et le Dr Sumit Kumar du département de génie biomédical de l'UNIST.

Tout d'abord, les chercheurs ont synthétisé des nanocristaux à surface lisse dans lesquels divers ions métalliques ont été enveloppés dans une coque en polymère organique et les ont chauffés à très haute température. Lors du recuit de la coque polymère, une réaction chimique à l'état solide à haute température a induit le mélange d'autres ions métalliques sur la surface du nanocristal, créant un certain nombre de branches et de trous de quelques nm. Cette texture de surface unique s'est avérée catalyser une réaction chimique qui a produit des espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui tuent les bactéries. Il a également été confirmé qu'il était hautement magnétique et facilement attiré vers le champ magnétique externe. L'équipe avait découvert une stratégie synthétique pour convertir des nanocristaux normaux sans caractéristiques de surface en nanocristaux d'oxydes de métaux mixtes hautement fonctionnels.

Image au microscope électronique à transmission (MET) de Mtex. Crédit : POSTECH

L'équipe de recherche a nommé cette topographie de surface, avec des branches et des trous qui ressemblent à ceux d'un champ labouré, « MTex ». Cette texture de surface unique a été vérifiée pour augmenter la mobilité des nanoparticules afin de permettre une pénétration efficace dans la matrice du biofilm tout en montrant une activité élevée dans la génération d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui sont mortelles pour les bactéries.

Ce système produit des ROS sur une large plage de pH et peut diffuser efficacement dans le biofilm et tuer les bactéries incrustées résistantes aux antibiotiques. Et comme les nanostructures sont magnétiques, les débris de biofilm peuvent être grattés même dans les microcanaux difficiles d'accès.

"Ce MTex nouvellement développé présente une activité catalytique élevée, distincte de la surface lisse et stable des formes spinelles conventionnelles", a expliqué le Dr Amit Kumar, l'un des auteurs correspondants de l'article. "Cette caractéristique est très utile pour infiltrer les biofilms même dans de petits espaces et est efficace pour tuer les bactéries et éliminer les biofilms."

"Cette recherche permet de réguler la nanotexturisation de surface, ce qui ouvre des possibilités d'augmenter et de contrôler l'exposition des sites actifs", a remarqué le professeur In Su Lee qui a dirigé la recherche. "Nous prévoyons que les surfaces texturées à l'échelle nanométrique contribueront de manière significative au développement d'un large éventail de nouvelles propriétés de type enzyme à l'interface nano-bio."


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Je pense que c'est tellement cool de voir comment le biofilm peut être utilisé pour nettoyer les déversements de pétrole. C'est assez ingénieux, en fait. Cependant, cela ne fonctionne pas toujours, je suppose.

Je me souviens avoir vu quelques reportages à ce sujet lors de la marée noire de BP en 2010. Vous vous en souvenez ? Le déversement de pétrole a duré des mois et des mois, et ils ont essayé tellement de choses différentes pour arrêter le déversement et se débarrasser du pétrole.

Finalement, ils ont utilisé des bactéries pour essayer de le nettoyer. Ils pensaient que les bactéries se débarrassaient du pétrole de la marée noire, mais ils ont découvert plus tard que les bactéries mangeaient en fait du gaz naturel.

Je ne suis pas sûr, mais il semble que le biofilm doive être génétiquement modifié pour être réellement utile lors d'un déversement de pétrole. il y a 9 heures

@Azuza - Je suis d'accord, le biofilm a l'air bien, tant qu'il n'est pas dans ma bouche, ou mes pipes, ou qu'il ne me donne pas une intoxication alimentaire. J'ai entendu parler du biofilm de listeria il y a quelque temps et j'étais complètement horrifié !

Fondamentalement, comme le dit l'article, le film se forme sur les comptoirs, puis les bactéries pénètrent dans votre nourriture. Puisque vous ne pouvez pas voir ce biofilm, vous n'avez aucune idée que vous contaminez votre nourriture. Ensuite, une fois que vous mangez la nourriture, vous tombez vraiment malade d'une intoxication alimentaire (et dans le cas de la listeria, vous pourriez mourir).

Je suppose que c'est juste un autre argument pour garder votre cuisine très propre ! il y a 23 heures

Les biofilms semblent bruts et intéressants à la fois. C'est vraiment intéressant de voir comment les membres du biofilm peuvent communiquer et prendre des décisions en groupe. En fait, l'ensemble du processus semble mûr pour une étude scientifique (même si je parie que quelqu'un m'a déjà devancé !)

Cependant, aussi intéressant que cela soit, je ne suis pas fou à l'idée d'avoir un biofilm de plaque sur mes dents. La plaque dentaire est nocive à la fois pour vos dents et pour votre santé en général. Je préférerais donc que le biofilm aille et soit intéressant ailleurs que dans ma bouche ! Kat919 hier

Il peut y avoir des endroits où vous ne voulez certainement *pas* qu'un biofilm bactérien se développe. Et votre pomme de douche, par exemple ? Il fait chaud et humide et les bactéries l'adorent. Puis. vous l'avez deviné, vous vous y baignez.

Heureusement, il est facile de nettoyer et de désinfecter votre pomme de douche. Il suffit de le tremper toute une nuit dans du vinaigre blanc pur.

Vous pouvez le faire de différentes manières. Certaines personnes prennent un sac de vinaigre et l'attachent à la pomme de douche avec un élastique, mais je n'ai jamais réussi à le faire fonctionner. Vous pouvez également déconnecter la pomme de douche de l'arbre qui dépasse du mur. Ou si vous avez un masseur de douche, il peut avoir un cordon suffisamment long pour que vous puissiez simplement abaisser la pomme de douche et la mettre dans un bol ou un seau de vinaigre. Frottez avec une brosse à dents après avoir trempé pour vous débarrasser de tous ces morceaux roses dégoûtants.


Régulation des gènes par les cellules attachées

Les preuves s'accumulent que la régulation à la hausse et à la baisse d'un certain nombre de gènes se produit dans les cellules de fixation lors de l'interaction initiale avec le substrat. Davies et Geesey (34) ont démontré algC régulation à la hausse dans les cellules bactériennes individuelles dans les minutes suivant la fixation aux surfaces dans un système de Flow Cell. Ce phénomène ne se limite pas à P. aeruginosa. Prigent-Combaret et al. (35) ont constaté que 22 % de ces gènes étaient régulés à la hausse dans l'état du biofilm et 16 % étaient régulés à la baisse. Becker et al. (36) ont montré que les biofilms de Staphylococcus aureus ont été régulés à la hausse pour les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la glycolyse ou la fermentation (phosphoglycérate mutase, triosephosphate isomérase et alcool déshydrogénase) et ont supposé que la régulation à la hausse de ces gènes pourrait être due à la limitation de l'oxygène dans le biofilm développé, favorisant la fermentation. Une étude récente de Pulcini (37) a également montré que algD, algu, rpoS, et les gènes contrôlant la synthèse des polyphosphokinases (PPK) ont été régulés à la hausse dans la formation de biofilm de P. aeruginosa. Prigent-Combaret et al. (35) sont d'avis que l'expression des gènes dans les biofilms est évidemment modulée par les facteurs physico-chimiques dynamiques externes à la cellule et peut impliquer des voies de régulation complexes.


Biofilms bénéfiques

En milieu naturel

Comme nous l'avons déjà souligné, les biofilms sont tout autour de nous, sur nous et en nous. Il est donc évident que tous les biofilms ne sont pas nocifs. Beaucoup jouent un rôle important dans l'écologie de la terre et la durabilité de la vie en général. Le rapport, "Global Environmental Change: Microbial Contributions, Microbial Solutions", souligne : ". . .la chimie de base de la surface de la Terre est déterminée par l'activité biologique, en particulier celle des milliers de milliards de microbes dans le sol et l'eau. Les microbes constituent la majorité de la biomasse vivante sur Terre et, à ce titre, ont un rôle majeur dans le recyclage des éléments vitaux. » Imaginez ça ! "Les microbes constituent la majorité de la biomasse vivante sur Terre" et, comme nous l'apprenons, ces microbes vivent souvent dans des colonies de biofilm sur les surfaces.

Par exemple, on sait que les bactéries sont des colonisateurs précoces (dans un biofilm) de surfaces initialement propres et immergées dans l'eau. Les scientifiques ont pu documenter un schéma prévisible de la formation des biofilms sur une surface propre sous l'eau. Que la surface en question soit une coque de bateau flottant au-dessus de l'eau, ou un nouvel évent sous-marin au fond de l'océan, les microbes sont déjà présents dans ces environnements et sont capables de se fixer rapidement à ces surfaces. À partir de ces pionniers, le développement en tant que biofilm commence rapidement.

Il est important de reconnaître que les micro-organismes, tels que les bactéries, qui colonisent les biofilms ont évolué avec d'autres organismes, y compris les êtres humains. Alors que certaines bactéries produisent des effets néfastes pour d'autres organismes, la plupart des bactéries sont inoffensives ou même bénéfiques. En ce qui concerne les bactéries, les organismes supérieurs (comme nous) ne sont qu'un autre environnement à coloniser. Alors voici une réflexion : les humains, qui sont souvent considérés comme les colonisateurs du monde, sont eux-mêmes la cible des puissances coloniales, sous la forme des nombreux micro-organismes qui se faufilent et habitent notre corps !

Traitement de l'eau et des eaux usées

P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman

L'un des meilleurs exemples d'application réussie et bénéfique de biofilms pour résoudre un énorme problème est le traitement des eaux usées. Pense-y de cette façon. Nous savons que les micro-organismes sont les principaux agents responsables de la décomposition des plantes et des animaux morts. La décomposition se produit (en partie) lorsque les micro-organismes se nourrissent des tissus de l'organisme mort. Puisque cela est vrai, on pourrait peut-être concevoir un système qui utilise les micro-organismes appropriés (sous la forme d'un biofilm) pour traiter les eaux usées et les eaux usées : si l'eau contaminée passait à travers un tel biofilm, peut-être que les micro-organismes dans le biofilm mangeraient ( et ainsi éliminer) la matière organique nocive de l'eau.

Bonne idée! En effet, avant même que les biofilms soient reconnus et fassent l'objet d'intenses recherches, les ingénieurs profitaient de l'activité environnementale naturelle des biofilms (sans connaître les biofilms) pour développer des systèmes de purification de l'eau. Les biofilms sont utilisés avec succès dans le traitement de l'eau et des eaux usées depuis plus d'un siècle. Les ingénieurs anglais ont développé les premières méthodes de traitement par filtre à sable pour le traitement de l'eau et des eaux usées dans les années 1860. Dans de tels systèmes de filtration, le milieu filtrant (c'est-à-dire le sable) présente des surfaces pour que les microbes se fixent et se nourrissent de la matière organique dans l'eau à traiter. Le résultat? La formation d'un biofilm bénéfique qui mange les "mauvaises" substances dans l'eau, la filtrant efficacement. Bien sûr, nous ne voulons pas que les micro-organismes du biofilm pénètrent dans l'eau filtrée, ou que des morceaux de biofilm se détachent de la colonie et passent à travers le système. Idéalement, le biofilm reste attaché au système de filtration et peut être nettoyé lorsque le système est rincé.

Fait intéressant, les scientifiques et les ingénieurs en traitement de l'eau ont découvert que l'eau potable et les eaux usées qui ont été traitées avec un système de biofilm dans une usine de traitement sont plus "biologiquement stables" que l'eau filtrée par d'autres types de systèmes de traitement. Cela signifie simplement qu'il y a probablement moins de contamination par des micro-organismes dans l'eau qui a traversé un filtre à base de biofilm que dans l'eau qui a traversé un système de traitement alternatif. Cela implique que l'eau traitée par biofilm a généralement une demande en désinfectant (par exemple, utilisation de chlore) et des produits de désinfection (par exemple, ce goût et cette odeur désagréables de chlore) plus faibles que l'eau traitée d'une autre manière si l'eau avant le traitement est élevée dans le type de nutriments dont le biofilm a besoin (qui dans ce cas est du carbone organique).

Les gens sont capricieux. Nous voulons que notre eau potable soit limpide, n'ait pas d'odeur étrange et ait le goût de l'eau pure. L'eau qui est potable parce qu'elle est traitée au chlore peut toujours avoir une couleur étrange, sentir mauvais et avoir un goût pire. Ainsi, les services publics d'eau potable font de grands efforts pour nous fournir le type d'eau potable que nous voulons (l'utilisation de l'ozone dans la phase de traitement primaire est une approche utilisée). Dans un tel système, une phase de traitement par biofilm peut bien être une approche qui aidera à obtenir le résultat souhaité.

Assainissement des sols et des eaux souterraines contaminés

P. Dirckx, Center for Biofilm Engineering, Montana State University, Bozeman

L'une des applications bénéfiques les moins évidentes des biofilms est le nettoyage des déversements d'huile et d'essence. C'est vrai, certaines bactéries vont manger de l'huile et de l'essence. N'oubliez pas que le pétrole a été produit pendant de nombreuses années par la végétation en décomposition, c'est donc un composé organique. Nous ne vous recommandons pas d'aspirer de l'huile ou de l'essence renversée, mais le fait que certaines des bactéries présentes naturellement dans le sol adorent ce produit conduit à une nouvelle idée : la bioremédiation. C'est un terme qui fait référence à l'ingénierie d'un biofilm qui peut être introduit dans la zone d'un déversement de pétrole ou d'essence pour aider à nettoyer les dégâts, le tout avec des moyens naturels et non nocifs.

En effet, la bioremédiation à l'aide de biofilms s'est imposée comme une technologie de choix pour l'assainissement des eaux souterraines et des sols sur de nombreux sites contaminés par des déchets dangereux. La bioremédiation entraîne

  • la réduction à la fois de la concentration et de la masse des contaminants pour de nombreux contaminants souterrains (p.
  • un changement de spéciation bénéfique des bactéries dans le biofilm qui leur permet de s'attaquer à d'autres contaminants, tels que les métaux lourds (par exemple, le mercure)

En d'autres termes, la bioremédiation est une excellente idée ! Comment le faire fonctionner nécessite une compréhension des processus de biofilm et des systèmes d'ingénierie pour introduire un biofilm dans le sol contaminé et fournir l'environnement nécessaire sous la surface du sol pour encourager le biofilm à faire son travail (illustré dans le diagramme ci-dessus). Pour les étudiants intéressés par ce sujet, l'étude des biofilms et de l'ingénierie (par exemple, le génie de l'environnement ou le génie chimique) est l'endroit où vous voulez être. Continuez simplement à camionner, et vous y arriverez.

Lessivage microbien

Cuivre de l'Utah, Salt Lake City, Utah

Photo reproduite avec l'aimable autorisation de Kennecott Utah Copper, Salt Lake City, Utah. Cette image montre un vaste complexe de champs de lixiviation dans lequel du minerai à faible teneur en cuivre est aspergé d'eau. Des bactéries telles que Thiobacille, attachés à la surface des particules de minerai oxydent les composés de cuivre insolubles en sulfate de cuivre soluble à partir duquel le cuivre pur peut être facilement récupéré.

Comme vous le savez probablement, l'extraction de métaux précieux de toutes sortes (or, argent, cuivre, etc.) est un travail salissant. Le métal souhaité ne se trouve généralement pas dans de beaux gros morceaux purs. La plus grosse pépite d'or jamais trouvée était réputée pour peser environ 70 kilogrammes. Mais la plupart de l'or, comme tous les autres métaux précieux, est généralement difficile à voir à l'œil nu, mélangé dans le sol avec de la terre, des roches et d'autres débris du sol&mdashle minerai dont l'or doit être extrait (notez que le minerai dans un bon mine de cuivre, par exemple, contiendra généralement moins de 1 % de cuivre). Le processus d'extraction, lorsqu'il est effectué avec des produits chimiques, est appelé « lessivage ». Pendant des années, le lessivage du cuivre, par exemple, s'est fait avec de l'acide qui n'est pas très bon pour l'environnement. En fait, la plupart des technologies de lixiviation ont entraîné des restes toxiques.

Bien devinez quoi? Aujourd'hui, environ 10 à 20 pour cent du cuivre extrait aux États-Unis est extrait de minerai à faible teneur à l'aide de biofilms. Et les sociétés minières font un investissement considérable pour étendre ce processus à l'extraction d'autres métaux précieux.

How is a biofilm engineered to accomplish this job? Again, one must find a bacteria with a particular appetite&mdashone that would eat the ore, say, that encased copper particles, thus releasing the copper to be recovered. This idea has led to the most common biofilm supported leaching process, called "heap leaching." Low grade ore is placed in a "heap," and sprayed with a mildly acidified water solution that encourages the growth of a particular bacterium that oxidizes the ore, releasing water soluble cupric ion (copper) that can then be recovered from the water.


What is a bacterial biofilm? - La biologie

Signaling in bacteria enables bacteria to monitor extracellular conditions, ensure that there are sufficient amounts of nutrients, and ensure that hazardous situations are avoided. There are circumstances, however, when bacteria communicate with each other.

The first evidence of bacterial communication was observed in a bacterium that has a symbiotic relationship with Hawaiian bobtail squid. When the population density of the bacteria reaches a certain level, specific gene expression is initiated, and the bacteria produce bioluminescent proteins that emit light. Because the number of cells present in the environment (cell density) is the determining factor for signaling, bacterial signaling was named quorum sensing. In politics and business, a quorum is the minimum number of members required to be present to vote on an issue.

Quorum sensing uses autoinducers as signaling molecules. Autoinducers are signaling molecules secreted by bacteria to communicate with other bacteria of the same kind. The secreted autoinducers can be small, hydrophobic molecules such as acyl-homoserine lactone, (AHL) or larger peptide-based molecules each type of molecule has a different mode of action. When AHL enters target bacteria, it binds to transcription factors, which then switch gene expression on or off (see Figure 1). The peptide autoinducers stimulate more complicated signaling pathways that include bacterial kinases. The changes in bacteria following exposure to autoinducers can be quite extensive. The pathogenic bacterium Pseudomonas aeruginosa has 616 different genes that respond to autoinducers.

Practice Question

Figure 1. Autoinducers are small molecules or proteins produced by bacteria that regulate gene expression.

Which of the following statements about quorum sensing is false?

  1. Autoinducer must bind to receptor to turn on transcription of genes responsible for the production of more autoinducer.
  2. The receptor stays in the bacterial cell, but the autoinducer diffuses out.
  3. Autoinducer can only act on a different cell: it cannot act on the cell in which it is made.
  4. Autoinducer turns on genes that enable the bacteria to form a biofilm.

Some species of bacteria that use quorum sensing form biofilms, complex colonies of bacteria (often containing several species) that exchange chemical signals to coordinate the release of toxins that will attack the host. Bacterial biofilms (Figure 2) can sometimes be found on medical equipment when biofilms invade implants such as hip or knee replacements or heart pacemakers, they can cause life-threatening infections.

Cell-cell communication enables Staphylococcus aureus bacteria (Figure 2a) to work together to form a biofilm inside a hospital patient’s catheter, seen here via scanning electron microscopy. S. aureus is the main cause of hospital-acquired infections. Hawaiian bobtail squid (Figure 2b) have a symbiotic relationship with the bioluminescent bacteria Vibrio fischeri. The luminescence makes it difficult to see the squid from below because it effectively eliminates its shadow. In return for camouflage, the squid provides food for the bacteria. Free-living V. fischeri do not produce luciferase, the enzyme responsible for luminescence, but V. fischeri living in a symbiotic relationship with the squid do. Quorum sensing determines whether the bacteria should produce the luciferase enzyme.

Practice Question

Figure 2. (a) Staphylococcus aureus bacteria. (b) Hawaiian bobtail squid. (credit a: modifications of work by CDC/Janice Carr credit b: modifications of work by Cliff1066/Flickr)

What advantage might biofilm production confer on the S. aureus inside the catheter?

Research on the details of quorum sensing has led to advances in growing bacteria for industrial purposes. Recent discoveries suggest that it may be possible to exploit bacterial signaling pathways to control bacterial growth this process could replace or supplement antibiotics that are no longer effective in certain situations.

Watch geneticist Bonnie Bassler discuss her discovery of quorum sensing in biofilm bacteria in squid.

Watch this collection of interview clips with biofilm researchers in “What Are Bacterial Biofilms?”

Questions pratiques

Quorum sensing is triggered to begin when ___________.

  1. treatment with antibiotics occurs
  2. bacteria release growth hormones
  3. bacterial protein expression is switched on
  4. a sufficient number of bacteria are present

Why is signaling in multicellular organisms more complicated than signaling in single-celled organisms?


Talk Overview

Many bacteria express adhesion proteins that allow them to stick to surfaces and each other, forming biofilms. Biofilms can cause problems such as gum disease and implant contamination. However, by manipulating the adhesion proteins that bacteria express, scientists can control what the bacteria interact with. For example, different strains of bacteria can be engineered to adhere to one another, which might be helpful if several different bacteria are needed in close proximity to break down an environmental contaminant. The participants in the Synthetic Biology in Action course introduced different adhesion genes into a bacterial strain to alter the adhesion properties of the bacteria so that desired traits were expressed on the cell surface.

About the Speaker

Alex Fedorec, PhD student at the University College London

Esteban Martinez Garcia (course instructor), scientist at the Centro Nacional de Biotecnología


Table of contents (25 chapters)

Methods for Dynamic Investigations of Surface-Attached In Vitro Bacterial and Fungal Biofilms

Aqueous Two-Phase System Technology for Patterning Bacterial Communities and Biofilms

Quorum Sensing in Gram-Positive Bacteria: Assay Protocols for Staphylococcal agr and Enterococcal fsr Systems

Advanced Techniques for In Situ Analysis of the Biofilm Matrix (Structure, Composition, Dynamics) by Means of Laser Scanning Microscopy

Multiplex Fluorescence In Situ Hybridization (M-FISH) and Confocal Laser Scanning Microscopy (CLSM) to Analyze Multispecies Oral Biofilms

Karygianni, Lamprini (et al.)

Field Emission Scanning Electron Microscopy of Biofilm-Growing Bacteria Involved in Nosocomial Infections

Experimental Approaches to Investigating the Vaginal Biofilm Microbiome

Imaging Bacteria and Biofilms on Hardware and Periprosthetic Tissue in Orthopedic Infections

Animal Models to Evaluate Bacterial Biofilm Development

Animal Models to Investigate Fungal Biofilm Formation

Nonmammalian Model Systems to Investigate Fungal Biofilms

Microbiological Methods for Target-Oriented Screening of Biofilm Inhibitors

In Vitro Screening of Antifungal Compounds Able to Counteract Biofilm Development

Biofilm Matrix-Degrading Enzymes

Efficacy Evaluation of Antimicrobial Drug-Releasing Polymer Matrices

Antibiotic Polymeric Nanoparticles for Biofilm-Associated Infection Therapy

Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Antibiotics in Biofilm Infections of Pseudomonas aeruginosa In Vitro and In Vivo

Contribution of Confocal Laser Scanning Microscopy in Deciphering Biofilm Tridimensional Structure and Reactivity

Chip Calorimetry for Evaluation of Biofilm Treatment with Biocides, Antibiotics, and Biological Agents

Morais, Frida Mariana (et al.)

Bacteriophage Attack as an Anti-biofilm Strategy

Photodynamic Therapy as a Novel Antimicrobial Strategy Against Biofilm-Based Nosocomial Infections: Study Protocols

Capturing Air–Water Interface Biofilms for Microscopy and Molecular Analysis

Biofilm-Growing Bacteria Involved in the Corrosion of Concrete Wastewater Pipes: Protocols for Comparative Metagenomic Analyses

Culture-Independent Methods to Study Subaerial Biofilm Growing on Biodeteriorated Surfaces of Stone Cultural Heritage and Frescoes

Cappitelli, Francesca (et al.)

Biofilms of Thermophilic Bacilli Isolated from Dairy Processing Plants and Efficacy of Sanitizers


Voir la vidéo: Biofilms (Novembre 2021).