Comment un microbe forme-t-il des biofilms ? Une étude fournit de nouvelles informations

En utilisant Escherichia coli comme formateur de biofilm représentatif, des chercheurs ont développé un modèle qui fournit de nouvelles informations sur la façon dont un microbe spécifique forme des biofilms (à partir d'un modèle in silico construit en simulant des événements qui transforment une entité bactérienne libre en biofilms multicellulaires auto-enfermés).

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Dans leur environnement naturel, les bactéries se développent et s’auto-organisent généralement en structures multicellulaires appelées biofilms (Flemming et al., 2016). Le biofilm est une structure complexe constituée de différentes colonies bactériennes ou d’un seul type de cellules dans un groupe. Ces communautés abritent des milliers voire des millions de bactéries de différents types, et sont tellement complexes et actives sur le plan biologique que les scientifiques les ont comparées à des «villes». Les biofilms sont en fait le mode de vie de prédilection des bactéries.

Les bactéries colonisent souvent les tissus de leur hôte sous forme de biofilms. Les biofilms se forment lorsque les bactéries se fixent sur une surface solide et se divisent tout en s’incorporant dans une matrice de substances polymères extracellulaires (EPS) (O’Toole et al., 2000), sur des surfaces aussi variées que le plancher océanique, les organes internes et les dents : la plaque dentaire est un exemple classique de biofilm. Mais les biofilms peuvent également provoquer des infections chroniques. Par exemple, ils sont un contributeur courant aux infections, comme chez les patients atteints de fibrose kystique (aussi appelée mucoviscidose) qui sont infectés de manière chronique par des biofilms du pathogène opportuniste P. aeruginosa (Donlan et Costerton, 2002 ; Bjarnsholt et al., 2013). Un biofilm peut aussi se développer et adhérer à la surface des implants médicaux. La matrice du biofilm est un matériau viscoélastique généralement composé d’un mélange de polysaccharides, de protéines, d’acides nucléiques et de débris cellulaires (Flemming et Wingender, 2010).

Une transition vers le mode de croissance du biofilm à partir de la forme planctonique est déclenchée par une grande variété de conditions stressantes, y compris les carences en nutriments, le choc osmotique, la présence d’antibiotiques, etc., impliqué dans la régulation du développement du biofilm. Sur la base des connaissances actuelles, il existe une interaction de plus de 120 gènes annotés, en plus de certains gènes non annotés dans E. coli, qui sont connus pour être spécifiquement impliqués dans la régulation des différentes étapes de la formation du biofilm.

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En tenant compte de tous les événements majeurs, à partir de l’étape d’adhésion initiale, une fois qu’une surface favorable est identifiée pour aboutir au processus de maturation du biofilm, un modèle de biofilm in silico (IBM) est construit, qui simule la formation du biofilm. Cette plate-forme basée sur les équations différentielles ordinaires (ODE) nous aidera à comprendre la biologie complexe des biofilms qui implique des interactions à travers un réseau multicomposant d’acteurs spécifiques, leurs régulateurs longs avec des composants structuraux tels que Curli, Fimbriae, PGA et des messagers secondaires clés comme le cycle cyclique. -di-GMP. Le modèle in silico est validé selon la littérature publiée, et les résultats prédictifs sont en outre étayés et confirmés par des tests in vitro.

nous établissons la corrélation in silico à in vitro d’une série de perturbations génétiques connues pour avoir un impact sur la formation de biofilm.

L’étude et sa portée

Les scientifiques de Bugworks Research India Private Limited, une start-up impliquée dans la découverte de médicaments, ont utilisé le modèle pour simuler les multiples réseaux de voies interconnectées que les cellules d‘Escherichia coli utilisent pour former des biofilms. Ils ont analysé le rôle de plus de 300 gènes dans la formation du biofilm. Le modèle a permis d’identifier les gènes et protéines clés qui influencent la croissance des biofilms.

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La littérature publiée sur environ 300 gènes associés aux voies impliquées dans la formation du biofilm a été organisée, des cartes statiques ont été créées et convenablement interconnectées avec leurs métabolites respectifs à l’aide d’équations différentielles ordinaires. L’interaction précise des réseaux génétiques qui régulent la commutation transitoire du modèle de croissance bactérienne en réponse aux changements environnementaux et la synthèse multicomposant résultante de la matrice extracellulaire ont été représentées de manière appropriée. Par la suite, le modèle in silico a été analysé en simulant les changements dépendant du temps dans la concentration des composants en utilisant l’environnement R et python.

Les chercheurs, menés par Santanu Datta, ont validé les rôles de plus de 80 % des gènes. Ils ont limité leur recherche à trois gènes clés qui contribuent de manière significative à la croissance des biofilms. Ils ont ensuite isolé et cultivé une souche virulente d’E. coli qui forme des biofilms et provoque une infection des voies urinaires chez l’homme. Ils ont découvert que la suppression des trois gènes supprimait la capacité de la souche à former des biofilms. Les biofilms contiennent de l’ADN extracellulaire (eDNA) qui est libéré par les cellules bactériennes mourantes et qui facilite la croissance du biofilm. Les chercheurs ont utilisé leur modèle pour simuler les conditions qui ont provoqué des diminutions progressives des niveaux d’eDNA. Cette baisse des niveaux d’ADNe a réduit la croissance des biofilms.

Le modèle a été validé en simulant et en vérifiant l’impact des knockouts de gènes clés (KO) et des knockdowns systématiques sur la formation de biofilm, garantissant ainsi que les résultats étaient comparables à la littérature rapportée. De même, des gènes KO spécifiques en laboratoire et des E. coli pathogènes ont été construits et évalués. MiaA, YdeO et YgiV se sont avérés cruciaux dans le développement du biofilm. De plus, la qRT-PCR a confirmé l’élévation de l’expression dans les isolats cliniques formant un biofilm.

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Les résultats rapportés dans cette étude offrent des opportunités pour identifier les inhibiteurs de biofilm avec des applications dans de multiples industries. L’application de ce modèle peut être étendue au secteur des soins de santé spécifiquement pour développer de nouvelles thérapies complémentaires qui empêchent les biofilms dans les implants médicaux et réduisent l’émergence d’infections polymicrobiennes chroniques résistantes associées aux biofilms. Le modèle in silico rapporté ici est en open source et accessible pour d’autres améliorations.

Voir la publication

Bhowmik P, Rajagopal S, Hmar RV, Singh P, Saxena P, Amar P, Thomas T, Ravishankar R, Nagaraj S, Katagihallimath N, Sarangapani RK, Ramachandran V, Datta S. Validated In Silico Model for Biofilm Formation in Escherichia coli. ACS Synth Biol. 2022 Feb 18;11(2):713-731. doi: 10.1021/acssynbio.1c00445.

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