De nouvelles études de l'Arizona State University révèlent des façons surprenantes dont les bactéries peuvent se déplacer sans leurs flagelles – les hélices minces en forme de fouet qui les font généralement avancer.
Le mouvement permet aux bactéries de former des communautés, de se propager vers de nouveaux endroits ou d’échapper au danger. Comprendre comment ils le font peut nous aider à développer de nouveaux outils pour lutter contre les infections.
Dans la première étude, Navish Wadhwa et ses collègues montrent que les salmonelles et E. coli peuvent se déplacer sur des surfaces humides même lorsque leurs flagelles sont désactivés. Dans le cadre de leur métabolisme, les bactéries fermentent les sucres et établissent de minuscules courants vers l’extérieur sur la surface humide. Ces courants entraînent la colonie vers l’avant, comme des feuilles dérivant sur un mince filet d’eau.
Les chercheurs appellent cette nouvelle forme de mouvement « swashing ». Cela peut aider à expliquer comment des microbes nocifs réussissent à coloniser les dispositifs médicaux, les plaies ou les surfaces de transformation des aliments. Comprendre comment le métabolisme détermine le mouvement bactérien pourrait aider les chercheurs à développer de nouvelles techniques pour limiter les infections, par exemple en modifiant le pH local ou la disponibilité du sucre.
« Nous avons été étonnés par la capacité de ces bactéries à migrer à travers des surfaces sans flagelles fonctionnels. En fait, nos collaborateurs ont initialement conçu cette expérience comme un » contrôle négatif « , ce qui signifie que nous nous attendions (une fois rendus) sans flagelles, les cellules ne bougent pas », explique Wadhwa. « Mais les bactéries ont migré avec abandon, comme si de rien n'était, nous lançant dans une quête de plusieurs années pour comprendre comment elles faisaient cela.
Cela montre simplement que même lorsque nous pensons avoir compris quelque chose, il y a souvent des surprises qui nous attendent juste sous la surface, ou dans ce cas, au-dessus. »
Navish Wadhwa, Université d'État de l'Arizona
Wadhwa est chercheur au Biodesign Center for Mechanisms of Evolution et professeur adjoint au Département de physique de l'ASU.
L'étude apparaît dans le Journal of Bacteriology. L'article a été sélectionné par la revue comme choix de l'éditeur, soulignant l'importance de la recherche.
Lavage alimenté au sucre
Lorsque les bactéries se nourrissent de sucres comme le glucose, le maltose ou le xylose, elles dégagent parfois des sous-produits acides comme l'acétate et le formiate. Ces sous-produits attirent l’eau de la surface, créant des courants qui poussent les bactéries vers l’extérieur. Les sucres fermentescibles sont essentiels à ce processus : sans eux, les microbes ne peuvent pas se déplacer de cette manière. Les environnements riches en sucre dans le corps, comme le mucus, peuvent en fait favoriser la propagation de bactéries nocives et provoquer des infections.
Lorsque les chercheurs ont ajouté aux colonies des molécules de type détergent, appelées tensioactifs, les bactéries ont cessé de se déplacer. En revanche, les tensioactifs n’ont pas affecté l’essaimage, une forme de mouvement coordonnée alimentée par des flagelles qui permet aux bactéries de se propager rapidement sur les surfaces humides. Cela suggère que les deux formes de mouvement utilisent des mécanismes physiques distincts et que des tensioactifs peuvent être utilisés pour supprimer (ou améliorer) sélectivement le mouvement des bactéries selon qu'elles se déplacent ou pullulent.
Le fait que les bactéries puissent coloniser des surfaces même lorsque leur mécanisme de nage normal est altéré a des implications importantes pour la santé humaine. Certains microbes peuvent se propager en passant à travers les cathéters médicaux, les implants et le matériel hospitalier. Le blocage des flagelles à lui seul pourrait ne pas suffire à les arrêter. Au lieu de cela, nous devrons peut-être interférer avec les processus chimiques qu’ils utilisent pour alimenter ce mouvement.
E. coli et la salmonelle peuvent provoquer des maladies d'origine alimentaire. Savoir qu’ils peuvent se propager sur les surfaces par le biais d’écoulements de fluides passifs peut aider à améliorer la manière dont les usines de transformation des aliments conçoivent leurs protocoles de nettoyage. Et comme le lavage dépend de la fermentation et des sous-produits acides, les stratégies qui modifient le pH de surface ou la disponibilité du sucre pourraient réduire la colonisation bactérienne. L’étude a montré que de simples changements d’acidité suffisaient à modifier la façon dont les bactéries se déplaçaient.
Quelque chose de similaire peut également se produire à l’intérieur du corps, où les surfaces humides comme le mucus intestinal, les liquides des plaies ou les voies urinaires créent des conditions favorables aux bactéries. Dans ces endroits, les bactéries pourraient utiliser le lavage pour se propager même lorsque leurs flagelles ne fonctionnent pas bien.
Des stratégies changeantes
Dans une deuxième étude, l’auteur correspondant Abhishek Shrivastava et ses collègues ont examiné un type de bactérie connue sous le nom de flavobactéries. Contrairement à E. coli, ces bactéries ne nagent pas ; ils naviguent plutôt sur les surfaces environnementales et associées à l'hôte à l'aide d'une machine appelée système de sécrétion de type 9, ou T9SS, qui propulse un tapis roulant moléculaire.
Normalement, le T9SS aide ces bactéries à glisser sur les surfaces. Pour ce faire, il déplace une ceinture adhésive autour du corps cellulaire, tirant la bactérie vers l’avant comme une motoneige microscopique. Les chercheurs ont découvert qu’une protéine du tapis roulant appelée GldJ agit comme un levier de vitesse, contrôlant la direction de ce moteur rotatif.
Si une petite partie de GldJ est supprimée, le moteur inverse sa rotation du sens inverse des aiguilles d'une montre au sens des aiguilles d'une montre, modifiant ainsi la façon dont les bactéries se déplacent. L’étude décrit en détail cet ensemble d’engrenages moléculaires et montre comment il permet aux bactéries d’affiner leur direction de mouvement, leur donnant ainsi un avantage évolutif dans la navigation dans des environnements complexes.
Au-delà de permettre le mouvement bactérien, le T9SS a également des implications majeures pour la santé humaine : il joue un rôle à la fois nocif et bénéfique en fonction de la communauté microbienne. Dans le microbiome oral humain, les bactéries contenant le T9SS sont liées aux maladies des gencives, où leurs protéines sécrétées favorisent l'inflammation de la bouche et du cerveau, contribuant ainsi à des troubles tels que les maladies cardiaques et la maladie d'Alzheimer. À l’inverse, dans le microbiome intestinal, les protéines sécrétées par T9SS peuvent protéger les anticorps de la dégradation, renforçant ainsi l’immunité et améliorant l’efficacité des vaccins oraux.
Comprendre le fonctionnement de cette boîte de vitesses pourrait aider les scientifiques à concevoir des moyens d'empêcher les bactéries de former des communautés bactériennes visqueuses appelées biofilms, provoquant des infections et contaminant les dispositifs médicaux, mais également à exploiter ses propriétés bénéfiques pour promouvoir la santé et développer des thérapies ciblées sur le microbiome.
« Nous sommes très heureux d'avoir découvert un extraordinaire système nanogear à double rôle qui intègre un mécanisme de rétroaction, révélant une motoneige biologique contrôlable et montrant comment les bactéries ajustent avec précision la motilité et la sécrétion dans des environnements dynamiques », a déclaré Shrivastava. « En nous appuyant sur cette avancée, nous visons maintenant à déterminer les structures à haute résolution de ce remarquable convoyeur moléculaire pour visualiser, avec une précision atomique, comment ses pièces mobiles s'emboîtent, transmettent la force et répondent au retour mécanique. Démêler cette conception complexe approfondira non seulement notre compréhension de l'évolution microbienne, mais inspirera également le développement de nanomachines et de technologies thérapeutiques de bio-ingénierie de nouvelle génération. «
Shrivastava est chercheur au Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics, au Biodesign Center for Mechanisms of Evolution et professeur adjoint à l'École des sciences de la vie de l'ASU. La recherche apparaît dans la revue mBio.
À première vue, les deux découvertes – le surf fluide et le changement de vitesse moléculaire – semblent aux antipodes. Mais ils partagent un thème commun : les bactéries ont développé de multiples façons surprenantes de se propager. Plus les bactéries disposent de stratégies, plus elles sont difficiles à contenir.
Les nouvelles découvertes soulignent également la nécessité d’une nouvelle réflexion dans la lutte contre les maladies bactériennes. De nombreuses approches traditionnelles se sont souvent concentrées sur le ciblage des flagelles. Mais comme le montrent ces études, les bactéries peuvent contourner cette limitation.
La recherche suggère que le contrôle de l’environnement bactérien, y compris des facteurs tels que les niveaux de sucre, le pH et la chimie de surface, pourrait être tout aussi important que le ciblage des gènes bactériens. Et perturber des machines moléculaires clés comme la boîte de vitesses T9SS pourrait empêcher les bactéries non seulement de se déplacer mais aussi de sécréter les protéines qui les rendent dangereuses.
