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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