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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