Dans le labyrinthe, les bactéries révèlent leur individualité

Ils sont considérés comme les formes de vie les plus simples. Pourtant, même les micro-organismes per?oivent leur environnement et peuvent se déplacer activement. Ils reconnaissent ainsi aussi bien la nourriture que les substances nocives et se dirigent vers elles ou s'en détournent. Pour ce faire, ils s'orientent en fonction du gradient de concentration de la substance en question dans l'environnement. La vie d'un microbe peut donc être comprise comme une succession ininterrompue de décisions basées sur des gradients chimiques.

La capacité des cellules à cibler ou à éviter des substances est appelée chimiotaxie dans le jargon scientifique. Jusqu'à présent, les scientifiques ont généralement considéré les propriétés chimiotactiques des bactéries comme une caractéristique uniforme d'une espèce ou d'une population - comme si toutes les cellules se comportaient plus ou moins de la même manière. Des valeurs moyennes suffisent ainsi à décrire leurs mouvements. Des chercheurs de l'ETH Zurich ont désormais observé la chimiotaxie des bactéries dans le cadre d'une expérience comportementale. "En observant attentivement, on découvre des différences de comportement étonnantes même au sein d'une population de cellules génétiquement identiques", expliquent Mehdi Salek et Francesco Carrara, les deux premiers auteurs d'une étude qui vient d'être publiée dans page externeNature Communications publiées dans le cadre d'une étude.

Des microbes dans le labyrinthe en T

Avec leurs collègues du groupe de recherche dirigé par le professeur Roman Stocker de l'Institut des sciences et ingénierie de l'environnement, ils ont mis au point un système microfluidique spécial qui leur permet d'observer le mouvement de milliers de bactéries individuelles dans un liquide, dans un espace très réduit. Le système se compose d'une série de canaux étroits qui se ramifient sur une fine plaque de verre, formant ainsi une sorte de labyrinthe microscopique à travers lequel les bactéries nagent.

Les labyrinthes sont souvent utilisés dans la recherche comportementale, par exemple pour étudier les préférences des insectes ou des vers (mais aussi les racines des plantes). Avec leur système microfluidique, les chercheurs de l'ETH appliquent pour la première fois cette méthode à l'échelle microscopique. Leur labyrinthe ressemble à un arbre généalogique : avec un canal de départ qui se ramifie de plus en plus vers le bas, là où la concentration d'un attractif chimique est également la plus élevée.

Des décisions à la croisée des chemins

Les bactéries commencent toutes au même endroit - et se séparent à vue d'?il dans le système de canaux, car elles doivent décider à chaque bifurcation si elles continuent à nager vers le haut ou vers le bas. Leurs capacités chimiotactiques confèrent aux bactéries des récepteurs spécialisés qui leur permettent de reconna?tre l'attractif. En outre, elles possèdent environ une demi-douzaine de flagelles qui peuvent tourner soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens inverse. "Selon le cas, la bactérie change de direction ou continue à nager dans une direction", expliquent Salek et Carrara.

Les chercheurs de l'ETH ont trouvé, même au sein d'un groupe de cellules génétiquement identiques - donc dans des clones - des individus qui suivaient bien l'attractif (en prenant à chaque fois le chemin descendant vers la concentration la plus élevée lors des bifurcations) - mais aussi des individus qui s'orientaient moins bien dans le labyrinthe. Les scientifiques expliquent ces différences de comportement par le fait que des gènes identiques sont activés différemment dans les cellules des frères et s?urs. Cela a pour conséquence que les cellules disposent de quantités différentes des protéines correspondantes. "Dans chaque cellule, il y a une sorte de bruit biochimique. Cette composante aléatoire fondamentale accro?t la diversité des apparences et des comportements", expliquent les chercheurs.

Une population d'individualistes qui réussit

La diversité ou l'hétérogénéité dans la chimiotaxie peut représenter un avantage évolutif pour la bactérie. En effet, alors que les individus habiles en chimiotactisme peuvent rapidement repérer et exploiter des sources de nourriture localement stables, leurs cellules s?urs, moins influencées par l'attractif, s'aventurent plus facilement sur de nouveaux territoires - où elles peuvent rencontrer des sources de nourriture supplémentaires dans un environnement en constante évolution.

"La diversité non génétique est connue depuis longtemps dans les sciences de la vie biomédicales, elle joue par exemple un r?le décisif dans le développement de la résistance aux antibiotiques. Maintenant, les sciences de l'environnement montrent que des propriétés fondamentales comme la locomotion et la chimiotaxie sont également marquées par cette diversité - et élargissent la notion d'individualité des bactéries", explique Roman Stocker. Il suppose que les différents comportements individuels des bactéries sont pertinents pour mieux comprendre des processus tels que les infections bactériennes des coraux ou la dégradation microbienne des marées noires.