La bactérie connue sous le nom de Pseudomonas aeruginosa est un visiteur indésirable dans le corps humain. Des infections graves peuvent survenir lorsqu'un groupe de ces insectes s'installe sur une surface pour former un biofilm – une communauté de microbes comme la bave des aliments avariés, mais résidant dans ce cas à l'intérieur d'une personne. Les bactéries regroupées attaquent les poumons des patients atteints de mucoviscidose et de maladies nécessitant l’utilisation de ventilateurs, comme les cas graves de COVID-19. Pire encore, l’Organisation Mondiale de la Santé classe Pseudomonas parmi les bactéries résistantes aux antibiotiques qui représentent la plus grande menace pour la santé humaine.
Cependant, de nouvelles découvertes menées par des chercheurs dirigés par le California NanoSystems Institute de l'UCLA (CNSI) révèlent comment les Pseudomonas passent de l'exploration d'une surface à s'y engager et à construire une communauté – une découverte clé qui peut aider à ouvrir la voie à la compréhension de la manière de lutter contre ces types d'infections.
La nouvelle étude a révélé comment Pseudomonas détecte et se lie à des sucres spécifiques laissés par d'autres espèces de son espèce arrivées plus tôt. La cellule détecte ces traces de sucre à l’aide de protéines présentes sur son corps, puis identifie les sucres à l’aide d’appendices ressemblant à des cheveux appelés pili. Ces pili sont normalement utilisés pour ramper le long d’une surface, mais dans ce cas, ils servent également de capteurs mécaniques qui testent la force des liaisons sucre. Toutes ces informations sont traduites en signaux chimiques à l’intérieur de la cellule qui guident le fonctionnement d’autres machines bactériennes, comme la sécrétion contrôlée de davantage de sucres pour produire des biofilms.
Rapporté dans le journal Microbiologie naturelleles résultats pourraient éclairer des applications dans le domaine de la santé humaine et de l'industrie. Pour Pseudomonas, les résultats pourraient conduire à de meilleures approches pour affaiblir la capacité des insectes dangereux à résister aux traitements médicamenteux.
« Nous pouvons envisager de nous appuyer sur ces résultats pour influencer le comportement de la bactérie », a déclaré le co-premier auteur William Schmidt, doctorant en bio-ingénierie à l'UCLA. « Nous pourrions être en mesure de transformer les cellules en versions d'elles-mêmes plus sensibles aux antibiotiques et plus faciles à traiter. »
Réponses à une énigme de la microbiologie
Les traînées de sucre sécrétées par les bactéries guident l'organisation des biofilms. Jusqu’à présent, les mécanismes par lesquels les cellules détectent les sucres sécrétés les unes par les autres sur une surface restaient flous. De plus, les protéines de la membrane cellulaire qui se lient à des sucres spécifiques ne disposent pas des structures nécessaires pour permettre toute signalisation, ce qui constitue une énigme de longue date.
La torsion révélée par l’étude est le rôle de la détection mécanique par les pili en tant que médiateur de cette signalisation.
« Cette forme de génération de signaux est nouvelle dans le domaine », a déclaré Gerard Wong, membre du CNSI, auteur correspondant de l'étude et professeur de bio-ingénierie à l'école d'ingénierie UCLA Samueli.
Les gens considéraient les pili principalement comme des appendices permettant de se déplacer. Il s’avère qu’ils agissent également comme des capteurs qui traduisent la force en signaux chimiques au sein des bactéries, qu’ils utilisent pour identifier les sucres. Nous voyons pour la première fois comment les informations sensorielles sont codées dans les bactéries par leurs appendices. »
William Schmidt, doctorant, Université de Californie, Los Angeles
Les sucres libérés par les bactéries servent à la fois de pistes à suivre pour les autres et de matériaux de construction pour leurs communautés. Aux stades ultérieurs du développement du biofilm, ces sucres bactériens aident à fixer la foule d’insectes et forment la matrice environnante du biofilm qui le protège des défis qui pourraient le déloger.
Pseudomonas visite les sentiers des sucres, de gauche à droite : cellules régulières avec leurs propres sucres ; cellules régulières avec sentiers artificiels et naturels ; des cellules conçues pour ne pas pouvoir fabriquer de sucres avec des traces artificielles.
Pour interroger ce système, les chercheurs ont fabriqué une surface recouverte de traces prédéfinies d'un sucre synthétique, imitant les sucres produits naturellement par la bactérie et particulièrement attractive pour Pseudomonas. Grâce au génie génétique et à des techniques avancées de suivi cellulaire, l’équipe a découvert le système coordonné combinant la détection chimique et mécanique.
Ce que les résultats peuvent signifier pour la santé humaine et la société
Les pseudomonas sont beaucoup moins sensibles aux antibiotiques lorsque les bactéries sont cimentées dans une communauté de biofilm. Ils sont beaucoup plus vulnérables lorsqu’ils sont en nage libre. Les recherches faisant suite à l'étude menée par le CNSI pourraient potentiellement fournir des solutions aux infections à Pseudomonas chez les patients atteints de fibrose kystique et autres.
« Il est possible de revenir en arrière en matière de formation de biofilm », a déclaré le co-premier auteur Calvin Lee, chercheur postdoctoral à l'UCLA. « Même si vous avez déjà un biofilm, vous pourrez peut-être le faire en sorte que les bactéries le démontent elles-mêmes. »
L'étude peut également éclairer les solutions à d'autres problèmes créés par les communautés bactériennes. Les biofilms encrassent les canalisations et les filtres ainsi que les réacteurs utilisés pour les réactions chimiques dans l'industrie. Ils constituent également la première phase des accumulations de flore et de faune incrustant les navires en mer.
« Nous pouvons nous demander : 'Est-il possible de rendre une surface invisible aux bactéries ?' », a déclaré Wong, qui est également professeur de chimie et de biochimie ainsi que de microbiologie, d'immunologie et de génétique moléculaire à l'UCLA. « Si vous obtenez une surface qui imite suffisamment l'espace vide, dans la mesure où les bactéries perçoivent les choses, il sera peut-être possible de résoudre ce problème de biosalissure qui coûte plusieurs milliards de dollars. »
Les chercheurs étudient le répertoire plus large des sucres détectés par les protéines de surface de Pseudomonas, ainsi que la manière dont les surfaces de forme différente affectent les déplacements de la bactérie. Les scientifiques ont également l'intention d'étudier les liens entre ces découvertes et les résultats précédents indiquant que la signalisation cellulaire persiste à travers les générations de bactéries dans les biofilms.
