Il y a des milliers d’années, alors que personne n’était à l’abri de la famine, des animaux sauvages dangereux ou des maladies, certains de nos premiers ancêtres ont eu une idée lumineuse : regroupons-nous ! En formant des communautés composées de personnes ayant des talents et des compétences différents, le taux de survie des individus a augmenté de façon considérable. L’union fait la force, mais ne nous félicitons pas trop vite : nous ne sommes pas les seuls à avoir eu cette idée. Les fourmis et les abeilles le font. Les microbes aussi – ils se regroupent en communautés appelées biofilms.
Les micro-organismes qui forment des biofilms comprennent des bactéries, des champignons et des protistes. Le biofilm le plus familier pour la plupart est sans doute la plaque dentaire – ce film collant et incolore de bactéries et de sucres qui se forme constamment sur nos dents. Cette bave à la surface de l’eau, notamment des étangs, est également un biofilm.
Selon cet article, un biofilm bactérien est défini comme « une communauté structurée de cellules bactériennes enfermées dans une matrice polymère autoproduite et adhérant à une surface inerte ou vivante. » En clair, cela signifie que les bactéries se regroupent parfois, s’accrochent à n’importe quelle surface et forment une matrice protectrice autour du groupe. En effet, nous avons trouvé des biofilms presque partout ; sur des minéraux, des métaux, à l’intérieur de notre intestin, etc. En fait, les biofilms existent depuis au moins 3,3 milliards d’années. Cependant, c’est dans les environnements humides et mouillés que l’on trouve le plus de biofilms. Ils adorent l’humidité.
Un grand nombre d’agents pathogènes sont regroupés sous forme de biofilms. Comme les humains, ils ont appris que cette configuration améliore leur taux de survie car ils sont mieux à même de combattre les cellules de notre système immunitaire acharnées à les détruire.
Comment se forment les biofilms
Les films gluants commencent à se former lorsque des bactéries initialement en liberté adhèrent à des surfaces dans des environnements aqueux et commencent à » poser leurs racines « . Pour rester collées, les bactéries excrètent une substance semblable à de la colle qui est efficace pour les ancrer à toutes sortes de matériaux, des plastiques aux sols en passant par les implants médicaux tels que les pacemakers. Cette colle est connue sous le nom de substance polymère extracellulaire (EPS) et est composée de sucres, de protéines et d’acides nucléiques comme l’ADN.
Au fil du temps, des couches et des couches d’EPS s’ajoutent. Après une période de croissance, une structure 3D complexe émerge, qui est remplie de canaux d’eau à l’intérieur qui facilitent l’échange de nutriments et de déchets.
Une chose fascinante sur la formation des biofilms a trait à la façon dont les bactéries communiquent. Les agents pathogènes peuvent s’indiquer mutuellement où se positionner grâce au quorum sensing. En gros, ce phénomène permet à une bactérie unicellulaire de sentir combien d’autres bactéries se trouvent à sa proximité immédiate. Si la bactérie sent qu’il y a une population dense qui l’entoure, elle sera encline à les rejoindre. Rappelez-vous, l’union fait la force.
« Les bactéries pathogènes se parlent entre elles avec un vocabulaire chimique », explique Doug Hibbins de l’Université de Princeton.
« La formation d’un biofilm est l’une des étapes cruciales de la progression du choléra », explique le Dr Bonnie Bassler, microbiologiste également à Princeton. « Ils se couvrent d’une sorte de goop qui est un bouclier contre les antibiotiques, ce qui leur permet de se développer rapidement. Lorsqu’ils sentent qu’ils sont suffisamment nombreux, ils essaient de quitter le corps. »
Parfois, des amas de biofilms peuvent se détacher de la masse principale et s’établir sur une nouvelle surface. Ces nouveaux pionniers continueront à étendre leur film gluant jusqu’à former une nouvelle colonie plus importante.
Combien un biofilm peut-il devenir grand
La plupart des biofilms sont très fins – à peine quelques couches cellulaires d’épaisseur. C’est trop fin pour être vu à l’œil nu. En fait, le comptoir de votre cuisine est presque certainement recouvert d’une couche de biofilm. Vous ne pouvez simplement pas le voir. Certains biofilms, en revanche, peuvent atteindre une épaisseur de plusieurs centimètres et sont alors visibles à l’œil nu. Vous trouverez ces moisissures visqueuses épaisses qui poussent comme des algues sur les rochers dans le lit d’un cours d’eau.
L’épaisseur des biofilms dépend de plusieurs facteurs environnementaux. Certains organismes peuvent produire de grandes quantités d’EPS et donc faire pousser un biofilm plus épais. Le débit de l’eau est également un facteur important ou, pour être plus précis, la contrainte de cisaillement l’est. Si un biofilm se forme dans un ruisseau où le débit de l’eau est élevé, il devrait être assez fin. Les biofilms formés dans une eau à écoulement lent, comme un étang, peuvent devenir assez épais.
Pourquoi les biofilms se forment
Comme nous l’avons mentionné, les bactéries se regroupent car en tant que communauté, elles augmentent leurs chances de survie, mais quelles sont les menaces auxquelles elles sont confrontées et comment le fait de vivre en moule gluant les protège ? Certains des facteurs de stress auxquels les bactéries sont confrontées sont le manque d’eau, un pH élevé ou faible, ou la présence de substances » toxiques « , c’est-à-dire d’antibiotiques ou d’antimicrobiens.
Les couches d’EPS agissent comme la première ligne de défense contre ces menaces. Elles peuvent empêcher la déshydratation ou protéger les bactéries contre les rayons UV. Lorsqu’ils entrent en contact avec l’EPS, les antimicrobiens, l’eau de Javel ou même les métaux sont liés et neutralisés par l’EPS collant.
Les antibiotiques peuvent certes détruire le biofilm mais pas toujours car les biofilms emploient une autre ligne de défense. Par exemple, malgré les substances antibiotiques pourraient pénétrer la couche EPS, ils peuvent être rencontrés bactéries dormantes. Comme ces bactéries n’ont pas d’activité cellulaire, les antibiotiques n’opèrent pas leur magie car il n’y a rien à perturber.
Une autre ligne de défense contre les antibiotiques sont les » persisters » ou bactéries spéciales qui ne se divisent pas. Ces bactéries produisent des substances qui bloquent les cibles de nombreux antibiotiques, selon un article de 2010. Par rapport aux bactéries flottant librement, celles qui se développent sous forme de biofilm peuvent être jusqu’à 1 500 fois plus résistantes aux antibiotiques
Enfin, le fait de vivre au sein d’une communauté, souvent composée de différentes espèces bactériennes, permet à ses membres de bénéficier des avantages liés à la présence d’un réseau polyvalent. Par exemple, certains biofilms sont composés à la fois de micro-organismes autotrophes et hétérotrophes. Les autotrophes produisent leur propre nourriture en utilisant la photosynthèse et la matière organique disponible, tandis que les hétérotrophes ne produisent pas leur propre nourriture et ont besoin de sources externes de carbone. Ainsi, dans ces biofilms, les micro-organismes s’alimentent souvent de manière croisée. C’est une sorte de division du travail.
Biofilms, humains et maladies
Les biofilms semblent pouvoir se former et s’accrocher à pratiquement n’importe quelle surface externe tant qu’elle est humide. On peut donc naturellement se demander si cela signifie qu’ils peuvent également se former à l’intérieur du corps humain. Il est certain qu’il est suffisamment humide et, en effet, nous constatons que la réponse est « oui ». Selon le National Institutes of Health, plus de 65 % de toutes les infections microbiennes sont causées par des biofilms. Cela peut vous sembler beaucoup, mais il faut garder à l’esprit que la grande majorité des infections sont communes comme les infections des voies urinaires, les infections de cathéters, la formation de plaque dentaire commune, etc.
Cependant, les biofilms peuvent être impliqués dans une série de maladies et de problèmes médicaux. Un exemple est celui des calculs rénaux qui sont causés par des biofilms. Quelque 15 à 20 % des calculs rénaux se forment à la suite d’infections urinaires, produites par l’interaction entre des bactéries infectantes et des substances minérales provenant de l’urine.
Et puis il y a l’endocardite, une maladie qui implique une inflammation des couches internes du cœur. L’endocardite semble être déclenchée par un biofilm complexe constitué d’un composant bactérien et hôte situé sur une valve cardiaque. Ce type de biofilm est connu sous le nom de végétation. La végétation peut perturber la fonction de la valve, produire une infection quasi-continue de la circulation sanguine et bloquer la circulation sanguine par un processus appelé embolisation.
Les biofilms pathogènes gangrènent également les prothèses et divers implants médicaux comme les articulations artificielles et les valves cardiaques ou les stimulateurs cardiaques. Ce phénomène a attiré l’attention de la communauté médicale pour la première fois dans les années 1980, lorsque des biofilms bactériens ont été découverts sur des cathéters intraveineux et des stimulateurs cardiaques.
« Lorsque les gens pensent à une infection, ils peuvent penser à de la fièvre ou à du pus sortant d’une plaie », explique le Dr Patel de la Mayo Clinic. « Cependant, ce n’est pas le cas avec l’infection de l’articulation prothétique. Les patients ressentent souvent une douleur, mais pas les autres symptômes habituellement associés à une infection. Ce qui se passe souvent, c’est que les bactéries qui causent l’infection des prothèses articulaires sont les mêmes que celles qui vivent sans danger sur notre peau. Cependant, sur une prothèse articulaire, elles peuvent se fixer, se développer et causer des problèmes à long terme. Beaucoup de ces bactéries n’infecteraient pas l’articulation s’il n’y avait pas la prothèse. »
Les biofilms ont été peu étudiés jusqu’à récemment, mais des preuves suggèrent qu’ils sont impliqués dans de nombreuses maladies humaines, y compris des infections chroniques débilitantes. Selon le Dr Trevor Marshall, chercheur biomédical à l’université Murdoch, en Australie, certains grands microbiotes de biofilms chroniques comme les bactéries en forme de L peuvent échapper au système immunitaire parce que, il y a longtemps, ils ont évolué la capacité de résider à l’intérieur des macrophages. Ironie du sort, ce sont ces mêmes globules blancs du système immunitaire qui sont censés tuer les agents pathogènes envahissants. Marshall affirme également que les infections à biofilms se produisent avec une grande facilité chez les hôtes immunodéprimés.
Cibler les infections à biofilms
Les recherches menées au cours des trois dernières décennies suggèrent que les biofilms sont soit extrêmement difficiles, soit impossibles à éradiquer du corps humain. Ce qui est certain, c’est que l’administration d’antibiotiques de manière standard (forte dose, constante) ne fonctionne pas.
Après l’administration de fortes doses d’antibiotiques, il peut sembler que l’infection par biofilm ait disparu. Cependant, elle réapparaîtra car le biofilm n’a pas été détruit, seulement affaibli. Il semble que si les antibiotiques peuvent pénétrer dans la matrice du biofilm et tuer les bactéries, un certain nombre de cellules appelées « persister » restent en place. Celles-ci sont capables de survivre à l’assaut des antibiotiques et permettent progressivement au biofilm de se reformer.
Le Dr Kim Lewis, de l’université de Tulane, affirme toutefois qu’il est possible de détruire certains biofilms. Son traitement consiste à utiliser des antibiotiques pulsés à faible dose pour briser le biofilm. Par exemple, la recherche suggère que cette technique est efficace pour détruire les bactéries du biofilm de P. aeruginosa d’une manière indiscernable lorsque les mêmes concentrations d’antibiotiques sont administrées à des cellules planctoniques uniques.
Lorsque le dosage faible et pulsé d’antibiotiques est appliqué, la première application éradique la majeure partie des cellules du biofilm, laissant les persisters derrière. Comme les antibiotiques sont arrêtés, la survie des persicaires n’est pas améliorée. Lewis pense que les cellules perdent alors leur forme et leurs propriétés biochimiques, ce qui les rend incapables de relancer le processus de formation du biofilm. Une seconde application de l’antibiotique après un certain temps devrait alors éliminer complètement les cellules persistantes.
L’efficacité de cette méthode dépend de la capacité à manipuler la concentration de l’antibiotique. En outre, tous les biofilms ne peuvent pas être décomposés de cette manière.
Biofilms utiles
Les biofilms peuvent être à l’origine de pathologies graves et, comme nous l’avons vu, il peut être très difficile de s’en débarrasser. Mais il existe des cas où les biofilms peuvent être utiles, à des fins de biorémédiation. Les biofilms sont utilisés, par exemple, pour traiter les eaux usées ou la contamination par des métaux lourds ou des substances radioactives. Une autre utilisation pratique des biofilms est celle des piles à combustible microbiennes. Dans ces piles à combustible, les microbes qui vivent à la surface d’une électrode décomposent les nutriments et transfèrent les électrons à travers un circuit, fournissant ainsi de l’électricité. Les piles à combustible microbiennes peuvent être très utiles si vous devez générer à distance de l’énergie pour des capteurs dans les eaux usées ou les décharges.
Les biofilms font actuellement l’objet d’intenses recherches. Les biofilms causent des milliards de dommages chaque année en raison de maladies, de dommages aux équipements, de pertes d’énergie ou de contaminations, et à ce titre, trouver des moyens de s’en débarrasser est une priorité. La résilience des biofilms est un grand défi et nécessite des contributions de différentes sciences telles que la biochimie, l’ingénierie, les mathématiques, et la microbiologie.