Détection du quorum

La « détection du quorum » (quorum sensing ou QS pour les anglophones), est le nom donné à des mécanisme régulateurs qui contrôlent l'expression coordonnée de certains gènes bactériens au sein d'une même population bactérienne.

Elle a été observée pour la première fois chez Vibrio fisheri, une bactérie bioluminescente, symbiotique vivant dans l'organe lumineux de certains céphalopodes comme la sépiole ; quand les vibrions sont sous forme planctonique (à l'état libre), la concentration d'auto-inducteurs est faible, et les cellules ne sont pas luminescentes. Au contraire, dans l'organe lumineux de la sépiole, où les vibrions sont très nombreux (environ 10 cellules par mL), l'auto-inducteur stimule la transcription du gène de la luciférase, qui produit une enzyme (luciférase) capable de produire de la lumière à partir d'ATP.

La détection du quorum se réfère au mécanisme de synchronisation de l'expression (ou de la répression) de gènes particuliers, au sein d'une population bactérienne et en fonction de la densité de cette population (mesurée en nombre de cellules par unité de volume).

Elle implique la capacité de bactéries à communiquer avec leurs congénères via des signaux moléculaires, et éventuellement (pour certaines espèces (archées) à disposer d'une horloge biologique endogène (Rythme circadien bactérien).

Le Quorum sensing renseigne chaque bactérie sur la densité de population d'individus, de sa propre espèce ou d'autres espèces, permettant alors des comportements éventuellement symbiotiques ou multi-espèces.

Les bactéries qui utilisent la détection du quorum produisent des signaux moléculaires dits « auto-inducteurs ».

• À basse densité de population bactérienne, la diffusion réduit rapidement la concentration de l’auto-inducteur dans l'environnement.
• Au contraire, avec la multiplication cellulaire dans un espace confiné, la densité de la population augmente, et la concentration de l'auto-inducteur dépasse un seuil critique qui est alors perçu par les bactéries qui le produisent : ont dit alors que le quorum est atteint.
• Cette perception active alors souvent la surproduction du signal auto-inducteur, conduisant ainsi à une boucle de rétroaction positive permettant de synchroniser sa perception au sein de la population microbienne.

La présence des auto-inducteurs est perçue par des récepteurs protéiques intracellulaires.
Ces récepteurs fixent l'auto-inducteur (dont la concentration intracellulaire reflète la concentration extracellulaire).
Le récepteur ainsi activé reconnait certaines séquences d'ADN, spécifiques des gènes régulés par détection du quorum et active ou réprime leur expression.

Sans que l'on puisse véritablement parler de superorganisme, la population peut alors localement réagir un peu comme une colonie cohérente, plus que comme une simple somme d'individus

Les auto-inducteurs fonctionnent un peu comme des hormones ; ils sont perçus par les bactéries à des concentrations très faibles (de l'ordre de 1 pmol à 1 µmol).

Parmi les signaux connus, on peut citer les N-acyl homosérine lactones (AHLs), les butyrolactones, des peptides cycliques tels ComX, ou l'autoinducteur 2 (AI-2), un des seuls composés biologiques connus contenant du bore.

La détection du quorum joue un rôle majeur dans les comportements coloniaux de populations bactériennes, en permettant des comportements coordonnés, ou certaines actions entre bactéries de la même espèce en fonction de la densité de leur population.

Par exemple, les bactéries opportunistes comme Pseudomonas aeruginosa peuvent croître dans l'organisme hôte sans effets pathogènes. Mais quand elles atteignent une certaine concentration (le quorum), elles deviennent virulentes et leur nombre suffit à dépasser le hôte, leur permettant par exemple de former un biofilm, qui constitue le début de la maladie.

Les fonctions régulées par détection du quorum sont très diverses chez les bactéries. Elles incluent :

• la virulence, le pouvoir pathogène (ex : chez Erwinia carotovora) ;
• le transfert conjugatif de plasmides (ex : chez Agrobacterium ou chez différents rhizobiums) ;
• la production d'antibiotiques ou d'antifongiques (ex : chez Chromobacterium violaceum ; Pseudomonas aureofaciens et P. fluorescens) ;
• l'apparition de la compétence, c'est à dire la capacité d'une cellule à absorber une molécule d'ADN libre dans son environnement (ex : chez Bacillus) ;
• la mise en place de flagelles (ex : chez Burkholderia).

Cette liste n'est pas du tout exhaustive.

L'étude du quorum sensing relève de l'écologie bactérienne et de la biologie des populations. Sur la base d'une meilleure connaissance de ces phénomènes, des chercheurs espèrent pouvoir par exemple :

• produire des biocapteurs, qui par exemple deviendraient luminescent au delà d'un certain seuil ;
• contrer l'antibiorésistance, en développant des stratégies médicales alternatives ne cherchant plus à totalement éliminer les bactéries, mais à empêcher leur collaboration. Deux méthodes sont possibles ou complémentaires :

- brouiller leurs communications,

- brouiller leur organisation, en introduisant dans une colonie pathogène des bactéries "asociales" ne jouant pas le jeu et continuant à se reproduire sans émettre de signal auto-inducteur . Des biologistes avaient en effet observé dans une colonie de Pseudomonas aeruginosa que certains individus bien qu'informés grâce au système QS de la densité présente d'autres bactéries n'émettaient eux-mêmes pas de signal auto-inducteur ; ce faisant, ils retardaient le moment où le quorum sera atteint et s'ils étaient assez nombreux, ils empêchaient que ce quorum ne soit jamais atteint, tout en entretenant un désordre au sein de la colonie . Stuart A. West a inoculé in vivo des souris avec des Pseudomonas aeruginosa collaborant normalement grâce au système QS : les souris sont alors rapidement mortes de l'infection. Par contre en inoculant aux souris des bactéries mutantes et « asociales » (de la même espèce mais n'émettant aucun signal QS), l'infection ne provoquait la mort que d'une partie des souris. Quand il a inoculé un mélange des deux types de bactéries, le taux de mortalité est resté proche de celui généré par les seules bactéries « asociales » . Ceci laisse envisager de nouveaux modes thérapeutiques .