Forme et structure d’une colonie de bactéries – une question d’interaction

Lorsque des bactéries opèrent des divisions cellulaires successives, elles forment des mini-colonies avec une structure macroscopique très variable, la structure peut être plus ou moins allongées. Dans une collaboration entre l’ENS, l’Université de Californie, l’université Grenoble Alpes et l’Institut Pasteur, des chercheurs du LPS ont montré que cette structure complexe est déterminée par l’anisotropie de l’interaction entre les bactéries et leur substrat.

Lors d’une division cellulaire, une bactérie en forme de bâtonnet s’allonge selon son axe principal et finit par se couper perpendiculairement à cet axe. De manière surprenante, ces bactéries forment des colonies rondes lorsqu’elles poussent sur des substrats solides alors que leur rapport d’aspect et leur rigidité devraient les amener à s’aligner et donc générer des colonies allongées reflétant l’anisotropie des éléments la constituant. Cette question de l’ordre nématique dans des communautés bactériennes est particulièrement critique selon les contextes écologiques dans lesquels elles évoluent. En effet, si les colonies allongées ont une grande surface d’interaction avec l’environnement, les colonies rondes vont plutôt la minimiser. Dans un milieu riche, il est plus avantageux pour les individus de se retrouver au contact direct de l’environnement, alors qu’il sera préférable au contraire de se protéger en s’entourant de voisins en milieu hostile.

Les chercheurs du LPS ont mené une série d’expériences visant à mesurer la manière dont les bactéries interagissent mécaniquement avec leur substrat. Ils ont mis en évidence que l’adhésion au substrat est un paramètre déterminant de la forme des colonies. De plus, ces forces d’adhésion sont polaires car ne sont pas réparties uniformément sur la bactérie : après une division, l’extrémité de la bactérie qui n’est pas apparue avec la division (ou pôle A de la figure 1a) adhère plus au substrat que la nouvelle extrémité. Cette asymétrie s’accentue, et les forces d’adhésion de la colonie se retrouvent concentrées en certains points discrets.
Cette asymétrie est à l’origine de la structure de la colonie : plus elle est forte, moins la colonie est allongée, subissant des instabilités de flambage d’autant plus fréquentes (cf. figure 1b).
Cela explique aussi la transition d’une unique couche de cellules vers une distribution 3D. Une seconde couche de bactéries se forme dès que l’énergie que doit dépenser une bactérie pour déplacer toutes ses voisines dans le plan dépasse l’énergie nécessaire pour déformer le gel au-dessus d’elle. Or cela se produit préférentiellement au centre de la colonie, puisque c’est l’endroit où les bactéries ont à pousser le plus grand nombre de cellules et que le coût à payer est maximal. Cette transition a été modélisée théoriquement et numériquement.

JPEG - 688.3 ko

Cette étude, publiée dans la revue Nature Communications, va permettre de mieux comprendre comment cette asymétrie est générée à l’échelle cellulaire, et essayer de la perturber en vue de pouvoir exposer plus efficacement les bactéries aux traitements antibiotiques.

Contact Chercheur :

Contact communication :