Mesurer la capacité d'adhésion entre deux bactéries à l'aide d'un AFM

Publié par Isabelle le 08/07/2020 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs du LAAS-CNRS et de TBI sont parvenus à caractériser, au moyen d'un microscope à force atomique (AFM), le rôle des filaments protéiques (pili) à la surface de la cellule lors de l'interaction entre deux bactéries. Ces résultats sont publiés dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces.


Interactions entre deux pili bactériens mesurées par spectroscopie de force. Le levier AFM est fonctionnalisé par une bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries possèdent une paroi cellulaire glucidique, le peptidoglycane. Les...) unique et interagit avec une autre bactérie immobilisée sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique,...). À gauche des cellules dépourvues de pili n'interagissent pas entre elles, ce qui se traduit par des courbes de force plates alors que, à droite, des bactéries exprimant des pili interagissent entre elles selon plusieurs modes, caractérisés par la force, la distance et la forme des interactions.
© LAAS-CNRS.

Les pili sont des filaments de protéines de quelques microns de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est...), présents sur la paroi de certaines bactéries. Ils contribuent aux interactions entre les cellules bactériennes et jouent un rôle dans la formation de biofilms, que ce soit sur des surfaces biotiques (muqueuses, cellules intestinales) ou abiotiques (polystyrène, acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de l’acier) et de la...) inoxydable). Une équipe constituée de chercheurs du LAAS-CNRS (CNRS) et de Toulouse biotechnology institute (TBI, CNRS/INRAE/INSA Toulouse), a réussi à mesurer précisément les forces d'adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se produisent lorsque l’on met en contact intime deux matériaux,...) entre deux bactéries liées à la présence de ces pili, grâce à un instrument dérivé du microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM), qui peut servir à visualiser la...) (AFM).

Les chercheurs de TBI étudiaient les mécanismes d'adhésion des bactéries lactiques, tandis que ceux du LAAS-CNRS disposaient de l'expertise dans l'utilisation du microscope AFM en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences...). Ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait...), ils ont travaillé avec une bactérie modèle - Lactococcus lactis - l'une des bactéries lactiques les plus utilisées dans l'industrie laitière, en particulier dans les processus de fabrication fromagère et de produits laitiers fermentés. Pour étudier l'influence des pili sur la capacité d'adhésion entre deux bactéries, ils ont utilisé trois souches de laboratoires, qui produisent des pili (pili+), en surproduisent (pili++), ou en sont dépourvus (pili-).

Les mesures d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) entre bactéries ont été réalisées par une technique de spectroscopie de force à l'échelle de la cellule (Single-cell force spectroscopie, SCFS). Elle consiste à remplacer la pointe d'un microscope AFM par une bille en silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la composition de nombreux minéraux ; sa formule est...) d'environ 5 microns de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment. Pour...), sur laquelle une bactérie individuelle est fixée par collage. Ce dispositif a permis de mesurer sa force d'interaction avec des bactéries isolées sur une lame de microscope.

Les expérimentations ont montré l'existence de forces d'adhésion importantes (150 à 452 pN) entre bactéries pour les souches exprimant des pili à leur surface (pili+ et pili++), tandis que ces forces restent inférieures à 100 pN pour la souche dépourvus de pili (pili-). De même, le travail d'adhésion, - la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) nécessaire pour séparer deux bactéries - dépasse 50.10-18 J pour les souches pili+ et pili++, tandis qu'il est inférieur à 10.10-18 J pour la souche pili-. Ces résultats confirment le rôle des interactions pili-pili dans le mécanisme d'adhésion entre ces cellules, brique élémentaire dans la structuration d'un biofilm Ils montrent aussi que les pili interagissent avec d'autres protéines présentes à la surface des bactéries.

Les partenaires sont déjà passés à la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) suivante de l'étude qui vise à mettre en évidence, au-delà de l'interaction entre deux bactéries individuelles, le rôle des pili dans la structuration et les propriétés mécaniques d'un biofilm. Une nouvelle publication est en cours d'élaboration.

Références:
Analysis of Homotypic Interactions of Lactococcus lactis Pili Using Single-Cell Force Spectroscopy,
I. Dramé, C. Formosa-Dague, C. Lafforgue, M-P. Chapot-Chartier, J-C Piard, M.Castelain, and E. Dague.
ACS Applied Materials & Interfaces (avril 2020)
https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c03069

Contacts:
- Etienne Dague - LAAS-CNRS - edague at laas.fr
- Mickael Castelain - TBI - castelai at insa-toulouse.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la...) INSIS - insis.communication at cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr
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