La viscoélasticité améliore le mouvement collectif des bactéries Résumé Les bactéries forment le microbiote humain et animal . Ils sont à l’origine de nombreuses infections et constituent une classe importante de matière active. Les suspensions bactériennes concentrées présentent une locomotion et un essaimage de type turbulent à grande échelle. Si le comportement collectif des bactéries dans les fluides newtoniens est relativement bien compris, de nombreuses questions fondamentales restent ouvertes pour les fluides complexes. Nous rapportons ici le mouvement bactérien collectif dans un environnement viscoélastique biologique non newtonien représentatif, illustré par le mucus . Les expériences sont réalisées avec du mucus gastrique synthétique de porc, du mucus cervical naturel de vache et une solution de polymère de type Newton. Nous avons constaté qu’une augmentation de la concentration de mucine et, en conséquence, une augmentation de l’élasticité de la suspension augmentent de manière monotone l’échelle de longueur de la locomotion bactérienne collective. En revanche, cette longueur reste pratiquement inchangée dans une solution de polymère newtonien sur une large gamme de concentrations. Les observations expérimentales sont étayées par des modèles informatiques. Nos résultats donnent un aperçu de la manière dont la viscoélasticité affecte l’organisation spatio-temporelle de la matière active bactérienne. Ils élargissent également notre compréhension de la colonisation bactérienne des surfaces muqueuses et de l’émergence d’une résistance aux antibiotiques due à l’essaimage. |
Déclaration d’importance
Le mucus, une substance viscoélastique semblable à un gel, est essentiel à de nombreuses fonctions biologiques . Le mucus recouvre la surface des cellules et des tissus. Il est perméable à l’oxygène et aux nutriments et protège contre les agents pathogènes tels que les bactéries, les champignons et les virus. Comprendre la motilité bactérienne dans les fluides de type mucus fournit des informations sur les infections nées de bactéries, notamment les maladies gastriques et sexuellement transmissibles. Ce travail démontre que la viscoélasticité du mucus améliore l’organisation bactérienne, conduisant à l’apparition de groupes bactériens se déplaçant de manière cohérente. Les résultats mettent en lumière la manière dont la viscoélasticité contrôle l’organisation spatio-temporelle des communautés bactériennes et fournissent des informations sur la manière de contrôler et de prévenir l’invasion bactérienne des surfaces muqueuses.
commentaires
Une nouvelle étude montre qu’un mucus plus épais augmente la capacité des bactéries à s’auto-organiser en essaims pour propager les infections.
Les reniflements, les éternuements et le nez qui coule sont les caractéristiques de la saison du rhume et de la grippe, et cette augmentation de mucus est exactement ce que les bactéries utilisent pour lancer une attaque coordonnée contre le système immunitaire, selon une nouvelle étude menée par des chercheurs de Penn State. L’équipe a découvert que plus le mucus est épais, meilleures sont les bactéries qui peuvent proliférer. Les résultats pourraient avoir des implications pour les traitements réduisant la capacité de la bactérie à se propager.
L’étude, publiée dans la revue PNAS Nexus , démontre comment les bactéries utilisent le mucus pour améliorer leur capacité à s’auto-organiser et éventuellement provoquer des infections. Les expériences, réalisées avec du mucus synthétique provenant d’estomac de porc, du mucus cervical naturel de vache et un composé polymère hydrosoluble appelé polyvidone , ont révélé que les bactéries coordonnent mieux leurs mouvements dans un mucus épais que dans des substances aqueuses.
Les résultats fournissent des informations sur la façon dont les bactéries colonisent le mucus et les surfaces muqueuses, ont indiqué les chercheurs. Les résultats montrent également comment le mucus améliore le mouvement collectif bactérien, ou essaimage, ce qui peut augmenter la résistance des colonies bactériennes aux antibiotiques.
"À notre connaissance, notre étude est la première démonstration de bactéries nageant collectivement dans le mucus", a déclaré Igor Aronson, professeur titulaire de la chaire Huck de génie biomédical, de chimie et de mathématiques à Penn State et auteur correspondant de l’article. "Nous avons montré que le mucus, contrairement aux liquides de consistance similaire, améliore le comportement collectif."
Le mucus est essentiel à de nombreuses fonctions biologiques, a expliqué Aronson. Il recouvre les surfaces des cellules et des tissus et protège contre les agents pathogènes tels que les bactéries, les champignons et les virus. Mais c’est également le matériel hôte d’infections bactériennes, notamment de maladies gastriques et sexuellement transmissibles. Selon Aronson, une meilleure compréhension de la façon dont les bactéries pullulent dans le mucus pourrait ouvrir la voie à de nouvelles stratégies pour lutter contre les infections et le problème croissant de la résistance aux antibiotiques.
"Nos résultats démontrent comment la consistance du mucus affecte le mouvement aléatoire des bactéries individuelles et influence leur transition vers le mouvement collectif coordonné de grands groupes bactériens", a déclaré Aronson. "Il existe des études qui montrent que le mouvement collectif ou l’essaimage de bactéries améliore la capacité des colonies bactériennes à se défendre contre l’effet des antibiotiques. L’apparition du comportement collectif étudié dans nos travaux est directement liée à l’essaimage."
Le mucus est une substance notoirement difficile à étudier car elle présente des propriétés à la fois liquides et solides, a expliqué Aronson. Les liquides sont généralement décrits par leur niveau de viscosité, leur épaisseur ou leur fluidité, et les solides sont décrits par leur élasticité, la force qui peut être nécessaire avant de se briser. Le mucus, un fluide viscoélastique, se comporte à la fois comme un liquide et un solide.
Pour mieux comprendre comment le mucus s’infecte, l’équipe a utilisé des techniques d’imagerie microscopique pour observer le mouvement collectif de la bactérie concentrée Bacillus subtilis dans le mucus synthétique de l’estomac du porc et dans la glaire cervicale naturelle de la vache. Ils ont comparé ces résultats avec des observations de Bacillus subtilis se déplaçant dans un polymère de polyvidone soluble dans l’eau sur une large gamme de concentrations, allant de niveaux élevés à faibles de polyvidone. Les chercheurs ont également comparé leurs résultats expérimentaux avec un modèle informatique du mouvement collectif bactérien dans des fluides viscoélastiques tels que le mucus.
L’équipe a découvert que la consistance du mucus affecte profondément le comportement collectif des bactéries. Les résultats ont indiqué que plus le mucus était épais, plus les bactéries étaient susceptibles de présenter un mouvement collectif, formant un essaim coordonné.
"Nous avons pu démontrer comment la viscoélasticité du mucus améliore l’organisation bactérienne, ce qui conduit à des groupes bactériens qui se déplacent de manière cohérente et provoquent une infection", a déclaré Aronson. "Nos résultats révèlent que les niveaux d’élasticité et de viscosité du mucus sont un facteur important dans la manière dont les communautés bactériennes sont organisées, ce qui peut fournir des informations sur la manière dont nous pouvons contrôler et prévenir l’invasion bactérienne dans le mucus."
Aronson a expliqué que l’équipe s’attend à ce que le mucus humain présente des propriétés physiques similaires, ce qui signifie que leurs découvertes sont également pertinentes pour la santé humaine.
"Le début du mouvement collectif des bactéries et leur interaction avec le mucus devraient être les mêmes que dans le mucus de vache, de porc ou humain, puisque ces substances ont des propriétés mécaniques similaires", a déclaré Aronson. "Nos résultats ont des implications pour la santé humaine et animale. Nous démontrons que la viscoélasticité du mucus peut améliorer le mouvement collectif des bactéries à grande échelle, ce qui peut accélérer la rapidité avec laquelle les bactéries pénètrent dans la barrière protectrice du mucus et infectent les tissus internes".
