Les biofilms : ces cités de microbes qui font tourner le monde

Long­temps, les bac­té­ries ont été consi­dé­rées comme des êtres uni­cel­lu­laires auto­nomes. Il appa­raît main­te­nant qu’elles forment des com­mu­nau­tés com­plexes enve­lop­pées dans une matrice géla­ti­neuse. Ce sont les bio­films qui peuvent avoir des consé­quences néfastes quand ils inter­fèrent avec des pro­ces­sus d’ingénierie, ou bien lorsqu’ils abritent des patho­gènes. C’est pour­quoi ils attirent de nom­breux efforts de recherche. 

Invi­sibles à l’œil nu, les microbes n’attirent pas notre atten­tion au quo­ti­dien, ou bien uni­que­ment lorsqu’un dérè­gle­ment du sys­tème nous rap­pelle à quel point nous y sommes vul­né­rables. Et pour­tant, nous bai­gnons dans un monde qui repose sur ces êtres microscopiques. 

En haut : cycle de déve­lop­pe­ment des biofilms.
Au milieu : inter­con­nexion des cel­lules bac­té­riennes dans la matrice du biofilm.
En bas : orga­ni­sa­tion spa­tiale struc­tu­rée favo­ri­sant la coopé­ra­tion dans un bio­film à 3 espèces (mar­quées en bleu, rouge ou jaune).
© DR / K. LEE, SCELSE / M. MUKHERJEE, SCELSE

Dotés d’un arse­nal pro­di­gieux d’enzymes et pro­téines aux pro­prié­tés diverses, les micro-orga­nismes occupent les niches éco­lo­giques les plus extrêmes et sont les acteurs prin­ci­paux des cycles glo­baux des élé­ments essen­tiels à la vie sur terre (car­bone, azote, phos­phore, soufre). 

Long­temps, les bac­té­ries ont été consi­dé­rées sur­tout comme des êtres uni­cel­lu­laires auto­nomes, ce qui a per­mis notam­ment de grandes avan­cées dans la com­pré­hen­sion de la régu­la­tion géné­tique et la mise au point de for­mi­dables outils molé­cu­laires, à la base des prouesses de la bio­lo­gie moderne. 

Il appa­raît main­te­nant évident que la plu­part des bac­té­ries ne vivent pas seules, mais forment des com­mu­nau­tés com­plexes atta­chées sur les sur­faces et enve­lop­pées dans une matrice géla­ti­neuse qu’elles pro­duisent : les biofilms. 

A contra­rio, les bac­té­ries libres en sus­pen­sion résultent géné­ra­le­ment de la dis­per­sion du bio­film et, comme les graines des plantes, servent à étendre la colo­ni­sa­tion à de nou­velles sur­faces (voir croquis). 

DES BONS ET DES MAUVAIS BIOFILMS

Les inter­ac­tions entre les membres du bio­film per­mettent une large gamme d’activités qui peuvent être avan­ta­geuses, par exemple pour le trai­te­ment des déchets, la réha­bi­li­ta­tion des zones pol­luées, ou encore en méde­cine lorsque les bio­films de l’hôte défendent contre l’invasion de bac­té­ries pathogènes. 

“ La plupart des bactéries ne vivent pas seules, mais forment des communautés complexes ”

En revanche, la qua­si-omni­pré­sence des bio­films peut par­fois être néfaste quand ils inter­fèrent avec des pro­ces­sus d’ingénierie, ou bien lorsqu’ils abritent des patho­gènes. Ain­si, dans l’industrie, les bio­films peuvent dété­rio­rer les mem­branes de fil­tra­tion d’eau, souiller les sur­faces de trans­for­ma­tion agroa­li­men­taire, ou encore aug­men­ter le risque de conta­mi­na­tion dans les piscines. 

En milieu cli­nique, les bio­films sont sou­vent la cause d’infections chro­niques pra­ti­que­ment impos­sibles à éra­di­quer. Mal­gré les avan­cées tech­no­lo­giques, la redou­table capa­ci­té d’adaptation des microor­ga­nismes rend sou­vent le contrôle de ces com­mu­nau­tés très incertain. 

UNE FORTE RÉSILIENCE ET RÉSISTANCE AUX ANTIBIOTIQUES

Une fois qu’un bio­film est for­mé, il est très dif­fi­cile de le délo­ger, car ce mode de vie offre aux bac­té­ries plu­sieurs niveaux de pro­tec­tion sup­plé­men­taire par rap­port aux cel­lules en suspension : 

“ J’ai découvert un signal clé déclenchant la dispersion des biofilms ”

• d’une part, la matrice géla­ti­neuse gène la dif­fu­sion de com­po­sés anti­mi­cro­biens ain­si que l’accès au bio­film des agents du sys­tème immu­ni­taire, tout en concen­trant les défenses bac­té­riennes telles que les molé­cules sécré­tées capables d’inactiver les antibiotiques ; 
• d’autre part, la proxi­mi­té des cel­lules favo­rise la pro­pa­ga­tion rapide de gènes de résistance ; 
• et enfin, d’autres carac­té­ris­tiques propres comme la pré­sence d’une petite pro­por­tion de cel­lules « per­sis­tantes » à méta­bo­lisme réduit (presque dor­mantes), qui tolèrent très bien les trai­te­ments antimicrobiens. 

Cette résis­tance accrue peut être un véri­table casse-tête. L’utilisation de plus fortes doses est inutile et impos­sible car cela endom­ma­ge­rait les maté­riaux ou bien le trai­te­ment lui-même ris­que­rait de poser un pro­blème de san­té publique. 

DÉVELOPPER DE NOUVEAUX OUTILS DE CONTRÔLE DES BIOFILMS

Les bio­films ont atti­ré de nom­breux efforts de recherche et ils com­mencent à être mieux compris. 

Les bio­films ont atti­ré de nom­breux efforts de recherche et ils com­mencent à être mieux com­pris. © KKOLOSOV / FOTOLIA.COM

Ain­si, chez cer­taines espèces, des gènes spé­ci­fiques impli­qués dans les étapes clés ont pu être iden­ti­fiés et de nou­velles solu­tions ciblant l’adhésion, la dis­per­sion, la com­mu­ni­ca­tion inter­cel­lules, ou les mes­sa­gers intra­cel­lu­laires ont été mises au point pour amé­lio­rer le contrôle des biofilms. 

J’ai décou­vert pen­dant ma thèse un signal clé déclen­chant la dis­per­sion des bio­films : le monoxyde d’azote (NO), une molé­cule signal uni­ver­selle dans les sys­tèmes bio­lo­giques, qui, quand il est pro­duit dans les bio­films, induit, via le mes­sa­ger secon­daire di-GMP cyclique, la dégra­da­tion des sys­tèmes d’adhésion et l’activation de la motilité. 

Avec des par­te­naires indus­triels de l’université où je tra­vaillais à Syd­ney, nous avons ensuite bre­ve­té une série de tech­no­lo­gies basées sur la libé­ra­tion de NO. Ain­si, des com­po­sés per­met­tant une acti­va­tion spé­ci­fique dans le bio­film peuvent être uti­li­sés pour trai­ter des mala­dies infec­tieuses chroniques. 

De plus, nous avons conçu de nou­veaux poly­mères et nano­par­ti­cules, capables soit de sto­cker du NO pour un relar­gage sur le long terme, soit de cata­ly­ser la pro­duc­tion de NO à par­tir de com­po­sés pré­sents dans l’eau, et qui peuvent être ain­si uti­li­sés pour des revê­te­ments antibiofilms. 

SINGAPOUR À LA POINTE DE LA RECHERCHE

Une fois qu’un bio­film est for­mé, il est très dif­fi­cile de le déloger.
© KATERYNA_KON / FOTOLIA.COM

Sin­ga­pour a récem­ment inves­ti plu­sieurs cen­taines de mil­lions de dol­lars pour la créa­tion du centre sin­ga­pou­rien pour l’ingénierie des sciences de la vie envi­ron­ne­men­tale, dont le pre­mier objec­tif est la com­pré­hen­sion du fonc­tion­ne­ment des biofilms. 

En com­bi­nant des exper­tises mul­ti­dis­ci­pli­naires en éco­lo­gie micro­bienne, géno­mique, micro­bio­lo­gie et ingé­nie­rie envi­ron­ne­men­tale, ces équipes tra­vaillent à déve­lop­per et amé­lio­rer les bio­pro­cé­dés gui­dés par les biofilms. 

Ain­si, par­mi les pro­jets phares figure la mise au point de nou­velles piles à com­bus­tible micro­biennes capables de créer de l’énergie à par­tir d’eaux usées ou l’optimisation de bio­films pour accé­lé­rer la trans­for­ma­tion de pro­duits chi­miques recy­clables sans géné­rer de déchets toxiques. 

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