Dynamique de suspensions bactériennes de l’aérotaxie à la formation de clusters

La pré­sente thèse étu­die le dépla­ce­ment de cer­taines bac­té­ries pour recher­cher l’oxygène dont elles ont besoin pour vivre : c’est ce qu’on appelle l’aérotaxie. L’étude tente de véri­fier s’il est pos­sible diri­ger les bac­té­ries vers un endroit pré­cis grâce à un gra­dient d’oxygène et s’il est pos­sible d’utiliser cette nage pour « trans­por­ter » des charges utiles. Cette thèse laisse entre­voir des appli­ca­tions inédites tant dans l’agriculture, où le télé­gui­dage d’azote rédui­rait le recours aux engrais, qu’en méde­cine où on pour­rait ima­gi­ner la déli­vrance de médi­ca­ments dans le corps humain au plus près du besoin.

Les micro-orga­nismes sont pré­sents par­tout sur Terre. Que ce soit dans les océans, dans le sol, dans l’air ou même à l’intérieur des ani­maux et des êtres humains, les bac­té­ries sont là, invi­sibles de par leur taille micro­sco­pique. À l’intérieur du corps humain, il y a même plus de micro-orga­nismes que de cel­lules humaines [1]. Qua­li­fiés péjo­ra­ti­ve­ment de microbes en rai­son de leur facette patho­gène, la plu­part ont en réa­li­té d’énormes effets béné­fiques sur leur envi­ron­ne­ment. Les bac­té­ries par exemple, qui consti­tuent une part très impor­tante des micro-orga­nismes, sont essen­tielles dans le cycle du car­bone ou pour la fixa­tion de l’azote de l’atmosphère par les plantes.

Les bactéries dans la nature 

Mal­gré leur taille micro­sco­pique, les bac­té­ries sont res­pon­sables de très nom­breux phé­no­mènes visibles à l’œil nu. On pense bien évi­dem­ment aux bac­té­ries patho­gènes qui infectent les êtres humains, les ani­maux ou les plantes et déclenchent des mala­dies. Mais on peut éga­le­ment citer les bac­té­ries du sol de la famille des Rhi­zo­bia for­mant des nodules mil­li­mé­triques en sym­biose avec cer­taines plantes [2, 4] (cf. figure 1, gauche) ou les cya­no­bac­té­ries remon­tant à la sur­face des lacs pour for­mer des efflo­res­cences pou­vant s’étaler sur plu­sieurs dizaines de kilo­mètres [5, 6] (cf. figure 1, droite). Ces évé­ne­ments phy­siques consti­tuent des mani­fes­ta­tions macro­sco­piques de la vie bac­té­rienne micro­sco­pique. 

Une physique très riche

Ain­si, cette vie micro­sco­pique pos­sède de nom­breuses faces qui ne se limitent pas aux carac­té­ris­tiques bio­lo­giques. La phy­sique de ces micro-orga­nismes est notam­ment extrê­me­ment riche et mieux la com­prendre per­met de mieux appré­hen­der le vivant. En col­la­bo­ra­tion étroite avec les bio­lo­gistes, les phy­si­ciens et entre autres les méca­ni­ciens des fluides se sont atte­lés à la tâche com­plexe de ten­ter de com­prendre et de modé­li­ser ces orga­nismes vivants. Aidés par les avan­cées tech­no­lo­giques en micro­sco­pie et plus récem­ment en micro­flui­dique, d’importants pro­grès ont été faits ces der­nières années dans la com­pré­hen­sion de la nage des bac­té­ries. Le pré­sent tra­vail de thèse s’inscrit dans la lignée de ces recherches et apporte quelques réponses, ain­si que beau­coup de nou­velles ques­tions à ce domaine pas­sion­nant. 

Des bactéries bénéfiques

Les bac­té­ries sont des micro-orga­nismes uni­cel­lu­laires, mesu­rant typi­que­ment entre 1 et 5 µm de long. En fonc­tion de l’espèce bac­té­rienne consi­dé­rée et des condi­tions de culture de celle-ci, leur taille et leur forme peuvent énor­mé­ment varier. Ma thèse a spé­ci­fi­que­ment por­té sur deux bac­té­ries du sol, Bur­khol­de­ria conta­mi­nans et Sino­rhi­zo­bium meli­lo­ti, aux carac­té­ris­tiques proches de la bac­té­rie modèle Esche­ri­chia coli : elles sont en forme de bâton­net de 2–3 microns de long, de dia­mètre légè­re­ment infé­rieur à 1 µm. Elles pos­sèdent éga­le­ment plu­sieurs fla­gelles, fila­ments héli­coï­daux répar­tis autour de leur corps leur per­met­tant de se dépla­cer (cf. figure 2, gauche). Mais pour­quoi étu­dier des bac­té­ries du sol en par­ti­cu­lier ? Ces bac­té­ries du sol ont des rôles par­ti­cu­liè­re­ment impor­tants dans la nature. Par exemple, S. meli­lo­ti entre en sym­biose avec cer­taines racines de plante pour for­mer des nodules (cf. figure 1, gauche). Cette inter­ac­tion sym­bio­tique est essen­tielle puisqu’en échange de nutri­ments, four­nis par la plante, les bac­té­ries per­mettent à celle-ci de syn­thé­ti­ser l’azote pré­sent dans l’atmosphère dont elle a besoin [2]. Un par­te­na­riat béné­fique pour tout le monde ! 

Des bactéries qui nagent

Grâce à leurs fla­gelles, les bac­té­ries peuvent se mou­voir dans leur envi­ron­ne­ment, afin par exemple de trou­ver de la nour­ri­ture et de l’oxygène pour sur­vivre. Ain­si, elles sont capables de nager, de ram­per, de glis­ser ou d’avancer par sac­cades [7]. Dans toute la suite, nous allons exclu­si­ve­ment par­ler de leur nage. Phy­si­que­ment, la nage bac­té­rienne est un mou­ve­ment de marche aléa­toire. Une bac­té­rie E. coli par exemple nage typi­que­ment pen­dant 1 seconde en ligne droite (que l’on appelle un run), puis change de direc­tion en une frac­tion de seconde (un tumble), avant de repar­tir dans sa nou­velle direc­tion pen­dant 1 seconde. Cette nage en run-and-tumble n’est pas uni­ver­selle, il en existe d’autres types : run-reverse, run-reverse-flick ou encore run-desyn­chro­nize comme on peut le voir en figure 2 [8]. 

“Les bactéries sont capables de nager afin de trouver de la nourriture et de l’oxygène pour survivre.”

Une nage dirigée vers l’oxygène

Concer­nant la sym­biose plantes-bac­té­ries, la ques­tion qui se pose est la sui­vante : com­ment les bac­té­ries arrivent-elles à trou­ver leur hôte sym­bio­tique, mal­gré les obs­tacles natu­rels, par­mi la mul­ti­tude de plantes et d’organismes ? C’est à une véri­table prouesse à laquelle nous assis­tons. La réponse se trouve dans les racines des plantes concer­nées par l’interaction sym­bio­tique. Ces der­nières sécrètent un com­po­sé chi­mique qui attire les bac­té­ries S. meli­lo­ti, avec les­quelles elles entrent en sym­biose, jusqu’à leurs racines. En effet, cer­taines bac­té­ries sont capables de modi­fier leur com­por­te­ment en fonc­tion de leur envi­ron­ne­ment. Elles peuvent biai­ser leur nage dans une direc­tion lorsqu’elles « sentent » que cette direc­tion leur est favo­rable, par exemple s’il y a plus de nour­ri­ture ou plus d’oxygène. En envi­ron­ne­ment homo­gène, leur nage en marche aléa­toire ne les amène fina­le­ment nulle part. En envi­ron­ne­ment inho­mo­gène, en pré­sence d’un gra­dient d’oxygène par exemple, les bac­té­ries peuvent modi­fier leur temps de run : si elles vont en direc­tion de la source d’oxygène, elles l’allongent et, si elles s’en éloignent, elles le réduisent. Sta­tis­ti­que­ment, les bac­té­ries se rap­prochent donc de la source d’oxygène, tout en conti­nuant à scan­ner leur envi­ron­ne­ment pour le cas où une autre direc­tion se révè­le­rait fina­le­ment plus favo­rable. Ce phé­no­mène, appe­lé aéro­taxie, est un cas par­ti­cu­lier de chi­mio­taxie (modi­fi­ca­tion de la nage à cause d’un com­po­sé chi­mique quel­conque). Il existe éga­le­ment des phé­no­mènes simi­laires pour la lumière (pho­to­taxie [9]), la gra­vi­té, le champ magné­tique, etc. 

Le dispositif expérimental

Dans le cadre de ma thèse, j’ai conçu un dis­po­si­tif expé­ri­men­tal per­met­tant d’étudier l’aérotaxie des bac­té­ries du sol S. meli­lo­ti et B. conta­mi­nans. En plus d’être inté­res­sante par elle-même, étant don­né que la concen­tra­tion locale d’oxygène dans le sol varie énor­mé­ment, l’étude de l’aérotaxie pour­ra nous ser­vir de modèle pour com­prendre le biais de nage des bac­té­ries vers le com­po­sé chi­mique sécré­té par les racines. Une sus­pen­sion bac­té­rienne, c’est-à-dire une solu­tion conte­nant de nom­breuses bac­té­ries, est injec­tée dans un capil­laire en verre fer­mé d’un côté par du PDMS (poly­di­mé­thyl­si­loxane) poreux à l’oxygène, et scel­lé de l’autre par de la vase­line imper­méable à l’oxygène [cf. figure 3(a)]. Le verre étant éga­le­ment imper­méable à l’oxygène, sa seule voie d’accès est à tra­vers le PDMS. Une expé­rience typique se déroule de la manière sui­vante. Tout d’abord, les bac­té­ries consomment l’oxygène ini­tia­le­ment dis­sous dans la sus­pen­sion, donc la concen­tra­tion en oxy­gène décroît uni­for­mé­ment dans tout le capil­laire. Cela induit un dés­équi­libre avec l’oxygène atmo­sphé­rique, ce qui déclenche la créa­tion d’un flux d’oxygène à tra­vers le PDMS, de l’air ambiant jusqu’à la sus­pen­sion bac­té­rienne. Un gra­dient d’oxygène se forme alors le long du capil­laire proche du PDMS [cf. figure 3(b)]. Étant atti­rées par l’oxygène, les bac­té­ries modi­fient leur nage et migrent en direc­tion de la source d’oxygène. En pla­çant le capil­laire sous un micro­scope, je pou­vais visua­li­ser et ana­ly­ser la nage des bac­té­ries en fonc­tion du temps et de leur posi­tion dans la chambre [cf. figure 3(c, d, e)]. De plus, grâce à l’injection d’un colo­rant sen­sible à l’oxygène dans la sus­pen­sion bac­té­rienne, je pou­vais éga­le­ment suivre l’évolution locale de la concen­tra­tion en oxy­gène et la cor­ré­ler aux varia­tions de com­por­te­ment des bac­té­ries [10]. 

Perspectives pratiques

Ces expé­riences nous ont énor­mé­ment appris sur la nage des bac­té­ries dans un envi­ron­ne­ment aux concen­tra­tions fluc­tuantes en oxy­gène, fluc­tua­tions qui sont omni­pré­sentes dans le sol où vivent les bac­té­ries étu­diées. Mieux com­prendre leur com­por­te­ment dans leur milieu natu­rel, notam­ment com­ment elles se dirigent vers leurs hôtes sym­bio­tiques, les racines de cer­taines plantes, est essen­tiel. En effet, cette sym­biose per­met de natu­rel­le­ment sto­cker de l’azote dans le sol. Aug­men­ter le sto­ckage d’azote par cette méthode natu­relle pour­rait faire dimi­nuer le besoin en engrais des cultures agri­coles concer­nées. 

Utiliser la nage des bactéries pour déplacer des charges utiles ? 

Un autre point d’intérêt de l’étude de la nage bac­té­rienne est son éven­tuelle uti­li­sa­tion pour dépla­cer des par­ti­cules micro­sco­piques. Quelques études très inté­res­santes ont déjà été faites en ce sens dans d’autres sys­tèmes [11, 12, 13]. Puisque nous avons mon­tré que nous pou­vions diri­ger les bac­té­ries vers un endroit pré­cis grâce à un gra­dient d’oxygène, nous avons cher­ché à savoir s’il était pos­sible de mettre à pro­fit cette nage diri­gée pour mou­voir des par­ti­cules pas­sives. La pre­mière ques­tion est de savoir quelle taille de par­ti­cules les bac­té­ries sont capables de dépla­cer lorsqu’elles nagent. Quelques expé­riences pré­li­mi­naires ont per­mis de déter­mi­ner, de façon assez sur­pre­nante, que les bac­té­ries pou­vaient faire bou­ger des billes fai­sant jusqu’à 20 fois leur taille ! Pour étu­dier et carac­té­ri­ser l’influence des bac­té­ries sur les billes, nous avons mis au point un dis­po­si­tif très simple : une sus­pen­sion bac­té­rienne conte­nant des billes est injec­tée dans une chambre car­rée de faible hau­teur et poreuse à l’oxygène. 

La formation de clusters

Ma pre­mière obser­va­tion sur ce sys­tème était tout à fait impro­bable. En effet, en plus de faire bou­ger les billes, la pré­sence de bac­té­ries nageuses rap­pro­chait les billes entre elles (cf. figure 4). Ini­tia­le­ment, les billes étaient répar­ties uni­for­mé­ment sur la sur­face de la chambre. Après une ou plu­sieurs dizaines de minutes, en fonc­tion de la taille des billes uti­li­sées et de leur nombre, des agré­gats (ou clus­ters) de billes deve­naient pro­gres­si­ve­ment visibles. Avec le temps, les billes conti­nuaient à être dépla­cées par les bac­té­ries et les clus­ters deve­naient de plus en plus gros, jusqu’à deve­nir visibles à l’œil nu. Pour reve­nir à la moti­va­tion ini­tiale, c’est-à-dire le dépla­ce­ment diri­gé des billes par les bac­té­ries, les résul­tats ont été miti­gés. Lorsque les bac­té­ries étaient gui­dées par un gra­dient d’oxygène, cela avait bien un effet sur les billes, mais pas celui qui était espé­ré. Au lieu d’entraîner les billes avec elles, les bac­té­ries repous­saient les billes en arrière de leur che­min. Arri­vant alors à la fin de ma thèse, je n’ai mal­heu­reu­se­ment pas eu le temps de pour­suivre cette piste plus loin. Il n’y a cepen­dant aucun doute sur le fait que ce sys­tème est loin d’avoir livré tous ses secrets. On peut même ima­gi­ner que dans le futur cer­tains médi­ca­ments puissent être trans­por­tés grâce à des bac­té­ries et déli­vrés avec pré­ci­sion dans le corps humain pour com­battre can­cers et autres mala­dies. Mais ce n’est peut-être qu’un rêve… 

Références

• [1] R. Sen­der, S. Fuchs and R. Milo, Revi­sed esti­mates for the num­ber of human and bac­te­ria cells in the body, PLoS Bio­lo­gy, vol. 14, n^o 8, p. e1002533, 2016.
• [2] N. Bus­set, D. Gul­ly, A. Teu­let, J. Far­doux, A. Camuel, D. Cor­nu, D. Seve­rac, E. Giraud and P. Mer­gaert, The type III effec­tome of the sym­bio­tic bra­dy­rhi­zo­bium vignae strain ors3257, Bio­mo­le­cules, vol. 11, n^o 11, p. 1592, 2021.
• [3] J. Allen and R. Sim­mon, Toxic algae bloom in lake Erie. https://earthobservatory.nasa.gov/images/76127/toxic-algae-bloom-in-lake-erie. Acces­sed : 2023-01-05.
• [4] J.-B. Rai­na, V. Fer­nan­dez, B. Lam­bert, R. Sto­cker and J. R. Sey­mour, The role of micro­bial moti­li­ty and che­mo­taxis in sym­bio­sis, Nature Reviews Micro­bio­lo­gy, vol. 17, n^o 5, p. 284–294, 2019.
• [5] H. W. Paerl and T. G. Otten, Harm­ful cya­no­bac­te­rial blooms : causes, conse­quences, and controls, Micro­bial Eco­lo­gy, vol. 65, n^o 4, p. 995‑1010, 2013.
• [6] J. Der­vaux, A. Mejean and P. Bru­net, Irre­ver­sible col­lec­tive migra­tion of cya­no­bac­te­ria in eutro­phic condi­tions, PloS One, vol. 10, n^o 3, p. e0120906, 2015.
• [7] D. B. Kearns, A field guide to bac­te­rial swar­ming moti­li­ty, Nature Reviews Micro­bio­lo­gy, vol. 8, n^o 9, p. 634–644, 2010.
• [8] M. Gro­gnot and K. M. Taute, More than pro­pel­lers : how fla­gel­la shape bac­te­rial moti­li­ty beha­viors, Cur­rent Opi­nion in Micro­bio­lo­gy, vol. 61, p. 73–81, 2021.
• [9] A. Rama­mon­jy, J. Der­vaux and P. Bru­net, Non­li­near pho­to­taxis and insta­bi­li­ties in sus­pen­sions of light-see­king algae, Phy­si­cal Review Let­ters, 128(25), 258101, 2022.
• [10] J. Bou­vard, C. Douarche, P. Mer­gaert, H. Aura­dou and F. Moi­sy, Direct mea­su­re­ment of the aero­tac­tic res­ponse in a bac­te­rial sus­pen­sion, Phy­si­cal Review E, vol. 106, n^o 3, p. 034404, 2022.
• [11] X.-L. Wu and A. Lib­cha­ber, Par­ticle dif­fu­sion in a qua­si-two-dimen­sio­nal bac­te­rial bath, Phy­si­cal Review Let­ters, vol. 84, n^o 13, p. 3017, 2000.
• [12] A. Soko­lov, M. M. Apo­da­ca, B. A. Grzy­bows­ki and I. S. Aran­son, Swim­ming bac­te­ria power micro­sco­pic gears, Pro­cee­dings of the Natio­nal Aca­de­my of Sciences, vol. 107, n^o 3, p. 969–974, 2010.
• [13] D. Kim, A. Liu, E. Diller and M. Sit­ti, Che­mo­tac­tic stee­ring of bac­te­ria pro­pel­led micro­beads, Bio­me­di­cal Micro­de­vices, vol. 14, n^o 6, p. 1009–1017, 2012.
• [14] J. Bou­vard, F. Moi­sy and H. Aura­dou, Ost­wald-like ripe­ning in the two-dimen­sio­nal clus­te­ring of pas­sive par­ticles indu­ced by swim­ming bac­te­ria, sub­mit­ted.

Informations sur la thèse

La thèse « Dyna­mique de sus­pen­sions bac­té­riennes, de l’aérotaxie à la for­ma­tion de clus­ters » a été effec­tuée par Julien Bou­vard (X13). Cette thèse en « Méca­nique des fluides » a été sou­te­nue le 1^er avril 2022, dans les locaux du labo­ra­toire FAST (Fluides, Auto­ma­tique et Sys­tèmes Ther­miques) où elle a été faite, à l’université Paris-Saclay. Le jury était com­po­sé de :

• Jean-Fran­çois Joan­ny, Pro­fes­seur au Col­lège de France (Pré­sident) ;
• Axel Buguin, Pro­fes­seur à l’Institut Curie (Rap­por­teur) ;
• Éric Clé­ment, Pro­fes­seur à Sor­bonne Uni­ver­si­té (Rap­por­teur) ;
• Cécile Cot­tin-Bizonne, Direc­trice de recherche à l’université Lyon 1 (Exa­mi­na­trice) ;
• Ser­gio Chib­ba­ro, Pro­fes­seur à l’université Paris-Saclay (Exa­mi­na­teur).

Cette thèse a été diri­gée par Harold Aura­dou et Fré­dé­ric Moi­sy, res­pec­ti­ve­ment Direc­teur de recherche et Pro­fes­seur au FAST à l’université Paris-Saclay. Une étroite col­la­bo­ra­tion avec Peter Mer­gaert, micro­bio­lo­giste Direc­teur de recherche à l’I2BC (Ins­ti­tut de Bio­lo­gie Inté­gra­tive de la Cel­lule) à Paris-Saclay, a éga­le­ment été essen­tielle pour appri­voi­ser les bactéries.

Pour plus d’informations, le manus­crit de thèse est en accès libre au lien sui­vant : https://www.theses.fr/2022UPAST051.

Présentation du laboratoire d’accueil

La thèse s’est dérou­lée à l’université Paris-Saclay située au sud de Paris, dans le labo­ra­toire FAST (Fluides, Auto­ma­tique et Sys­tèmes Ther­miques). Ce der­nier est une uni­té mixte de recherche du CNRS (UMR 7608) et de l’université Paris-Saclay.

La recherche au labo­ra­toire FAST porte sur la méca­nique des fluides en géné­ral, et plus spé­ci­fi­que­ment sur l’hydrodynamique, avec une forte com­po­sante expé­ri­men­tale. Les sujets étu­diés vont de la for­ma­tion de tsu­na­mis par ébou­le­ment aux cra­que­lures sur les pein­tures, de la tec­to­nique des plaques à la nage de bactéries.

De plus amples infor­ma­tions sur le FAST, et notam­ment la recherche qui y est effec­tuée, sont dis­po­nibles sur le site inter­net http://www.fast.u‑psud.fr/.

Situation actuelle

À l’issue de sa thèse, Julien Bou­vard a rejoint le Labo­ra­toire d’Hydrodynamique de l’X (LadHyX) en tant que cher­cheur post­doc­to­ral. Il tra­vaille notam­ment sur l’érosion de réseaux com­plexes de micro-canaux aux côtés de Gabriel Amse­lem, Maître de confé­rences au LadHyX.

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