Rôle structurant des exopolysaccharides dans un biofilm bactérien
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Abstract EN:
Bacterial biofilms are multicellular systems able to colonize as various environments as terrestrial or marine biotopes. They are also of prime interest for most biotransformations and bioengineering processes with consequences for health and industry. Whereas their effects are considered positive or negative, it is of importance to get a deeper insight of their dynamics and emergent properties. Such systems imply multiple interactions between numerous individuals which result in a population behavior which cannot be reduced to the sum of individual behaviors. Proteus mirabilis is a bacterium which colonizes the human urinary tract by forming biofilms. On a Petri dish, the colony grows by forming a particular “bull-eye” pattern which results from alternative swarming and consolidation phases. This periodicity relies in turn on P. Mirabilis dimorphism. During a swarming phase, P. Mirabilis exhibits a fast motility through bioconvection motions (30 µm/sec) which allows the colony radius to expanse at a 60 µm/min rate. Usually, biofilm dynamics is ruled by chemical triggers like homoserine lactones or furanones. Surprisingly, P. Mirabilis biofilms lack such chemical signals. It is therefore not understood why the swarming phase stops repeatedly. The present work aims at addressing the role of the extra cellular matrix in the periodicity and synchronicity observed in a P. Mirabilis biofilm. This matrix revealed more complex as expected since two exopolysaccharides (EPS) of distinct molecular weights were observed as well as phenolic glycolipids (PGL) and significant amounts of glycine betaine, a potent osmoprotectant. Besides, infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry and various microscopic techniques have revealed that both EPS and PGL were subject to self-organization to form supra-molecular assemblies like spherolithes. Such structures, characteristic of semi crystalline media, strongly suggest that, depending on water activity, the mechanical properties of the extra cellular matrix may vary. This was confirmed by rheological measurements which have shown that purified EPS as well as intact biofilms exhibit high viscous and elasticity modules. A semi quantitative balance of water transfers at the gelose → biofilm and biofilm → atmosphere interfaces during active swarming strongly suggests that swarmers at the colony’s periphery are subjected to dilution. It is therefore proposed that, upon hydration, the exoproducts lose their semi crystalline properties inducing thereby the decrease of the mechanical properties of the extracellular matrix. Accordingly, the swarmers will enter the dedifferenciation process, stopping de facto the colony expansion. Hence the multicellular entity is able to maintain strict control over the expansion process which is, a priori, incompatible with cohesion. By tuning the relative amounts of its exoproducts, the multicellular entity plans the limit of expansion. More generally, by featuring the transition from the individual bacterium to the population behavior, the biofilm dynamics well exemplifies the simple to complex transition which characterizes most of biological systems. For a Proteus colony, as for many other integrated systems, emergent properties arise from global, rather than local, properties.
Abstract FR:
Les biofilms bactériens colonisent des milieux très divers, terrestres ou maritimes et ont des impacts très importants dans les bio-transformations naturelles ou industrielles (bio-procédés), sur la santé et sur les installations industrielles (colonisation de conduites, corrosion…). Que leurs effets soient positifs ou négatifs, il est essentiel de comprendre leur dynamique de développement qui repose sur le principe de l’émergence, lui-même basé sur des interactions multiples entre un grand nombre d’individus : un biofilm se caractérise par un comportement de population et non par une somme de comportements individuels. Le biofilm de Proteus mirabilis, bactérie pathogène des voies urinaires chez l’Homme, présente une structuration spatio-temporelle unique. La stratégie de colonisation de cette bactérie repose sur l’alternance de phases de consolidation et de migration. Ces deux phases sont directement liées à l’alternance de deux phénotypes bactérien, migrant et végétatif, aboutissant à la formation de terrasses concentriques. Durant ces phases de migration ou swarming, la bactérie présente une grande motilité cellulaire de l’ordre de 30µm/sec, ce facteur constitue également une caractéristique de P. Mirabilis. Dans la plupart des biofilms bactériens, la dynamique de développement repose sur des médiateurs chimiques tels que des homosérines lactones ou des furanones. Dans le biofilm de P. Mirabilis de tels agents de communications intercellulaires ne sont pas retrouvés. Notre postulat est que des grandeurs physiques comme la viscosité, l’hydratation ou l’épaisseur du biofilm pourraient évoluer de manière périodique engendrant ainsi la synchronicité observée. Nous avons analysé la matrice extracellulaire du biofilm qui s’est révélée plus complexe que prévu puisque outre deux types d’exopolysaccharides (EPS) de poids moléculaires très différents, ont été identifiés des glycolipides phénoliques (PGL) et des concentrations significatives de glycine bétaïne. Au-delà des aspects structuraux, des propriétés d’auto-assemblage de EPS et des PGL ont été démontrées par différentes techniques microscopiques. Des mesures d’hydratation, de rhéologie et de calorimétrie (DSC) menés sur les EPS et le biofilm intact indiquent que ces propriétés semi-cristallines sont étroitement liées à l’activité de l’eau. Un bilan semi-quantitatif des transferts d’eau aux interfaces gélose / biofilm / atmosphère au cours d’une phase de migration a été établi en prenant en compte les pertes par évaporation, le coefficient de diffusion de l’eau dans le milieu gélosé et le gradient d’eau à l’interface gélose / biofilm. Il en ressort que l’arrêt périodique de la migration serait lié à la dilution progressive de la matrice extracellulaire à la périphérie du biofilm. Cet accroissement du taux d’hydratation déstabiliserait les assemblages supra-moléculaires faisant perdre ainsi à la matrice les propriétés visco-élastiques indispensables à la motilité cellulaire. L’entité multi-cellulaire, le biofilm, programmerait donc l’arrêt de l’expansion de la colonie via la biosynthèse d’exoproduits dont le comportement, au delà d’un seuil d’hydratation critique ne permettrait plus la migration. La cohésion du système multicellulaire, a priori incompatible avec l’expansion, serait donc ainsi maîtrisée. Plus globalement, le développement d’un biofilm, retraçant le passage du comportement individuel à celui d’une population, transition du simple au complexe, doit nous aider à mieux comprendre l’origine de propriétés émergentes des systèmes biologiques qui nécessairement dérivent de propriétés globales plutôt que locales.