Biofilm

Encyclopédie

Le biofilm, le tapis bactérien ou le tapis microbien est un écosystème microbien organisé, composé d’une ou de plusieurs espèces de micro-organismes associés à une surface vivante ou inerte, présentant des caractéristiques fonctionnelles et des structures complexes. Ce type de conformation microbienne se produit lorsque des cellules planctoniques adhèrent à une surface ou à un substrat, formant une communauté qui se caractérise par l’excrétion d’une matrice extracellulaire adhésive protectrice.

Le terme biofilm est un néologisme introduit en 1995 par Bill Costerton, reconnu comme le fondateur du domaine des études sur les biofilms, qui analyse les caractéristiques de certains micro-organismes qui, en adhérant à des surfaces, forment de véritables communautés de complexes microbiens qui vivent, interagissent et fonctionnent dans différents écosystèmes.

Les biofilms peuvent avoir un impact sur la santé (symbiose), sur le développement de diverses maladies infectieuses en produisant une dysbiose, ainsi que sur la résistance aux antibiotiques.

L’approche multidisciplinaire de l’étude des biofilms a forgé un mode de pensée commun sur la manière dont les micro-organismes survivent et fonctionnent dans tous les environnements, ainsi que dans les contextes médicaux, dentaires, industriels, agricoles, d’ingénierie et autres.
Un biofilm peut contenir environ 15 % de cellules et 85 % de matrice extracellulaire. Cette matrice est généralement constituée d’exopolysaccharides, qui forment des canaux par lesquels circulent l’eau, les enzymes, les nutriments et les débris. Les cellules y établissent des relations et des dépendances : elles vivent, coopèrent et communiquent par le biais de signaux chimiques (quorum sensing), qui régulent l’expression des gènes différemment dans les différentes parties de la communauté, comme un tissu dans un organisme multicellulaire.

Pour s’adapter à un biofilm, les bactéries modifient considérablement leur structure et leur métabolisme. Les progrès de la protéomique et de la génomique ont permis d’identifier les gènes et les protéines qui s’activent et se désactivent au cours des différentes étapes du développement de la communauté. L’expression génétique des biofilms est très différente de celle des cellules planctoniques, car les exigences et les organisations sont très différentes et une synchronisation des événements est nécessaire pour vivre en communauté ; plusieurs études ont tenté d’élucider les changements et les avantages de ce type d’organisation par rapport à la vie planctonique.
Parce qu’ils se développent sur toute surface à laquelle ils adhèrent, les biofilms sont associés à la nature chronique d’infections telles que celles qui surviennent dans les poumons des patients atteints de mucoviscidose, plus de 60 % des infections bactériennes étant causées par des biofilms. C’est pourquoi ils ont fait l’objet d’études approfondies et sont considérés comme une menace clinique potentielle, car ils sont capables de se développer sur les cathéters et les dispositifs médicaux et chirurgicaux.

Cellules persistantes

Certaines études ont montré qu’au stade de la dispersion, où les cellules retournent à l’état planctonique, la population cellulaire montre à nouveau une sensibilité aux antibiotiques. Cela suggère que la résistance acquise au cours du processus de formation du biofilm n’est pas le fruit de mutations ou d’éléments génétiques mobiles, mais qu’elle implique une adaptation métabolique ou physico-chimique. Un facteur important est que ces biofilms ne se développent pas dans des conditions de fortes concentrations d’antibiotiques, ce qui suggère que le biofilm ne présente pas de résistance généralisée aux antibiotiques. Des études indiquent qu’il existe peut-être une sous-population au sein du biofilm qui forme un état phénotypique unique et hautement protégé. Cette population est appelée « cellules persistantes » ou cellules persistantes aux antibiotiques.
Les expériences menées par Lewis (2004) ont comparé les populations dans l’état logarithmique, l’état stable et le biofilm. Ils ont ainsi constaté qu’en phase stationnaire, il y a une plus grande production de cellules persistantes, contrairement à ce que l’on aurait pu penser, en raison de la grande résistance des biofilms. Ces résultats ont conduit à la conclusion que, puisqu’il n’y a pas de croissance pendant la phase stationnaire, la formation de cellules persistantes dépend en fait de l’état de croissance ; à l’état logarithmique, il y a peu ou pas de formation de cellules persistantes. Cette dépendance de l’état de croissance est supposée être un phénomène appelé quorum sensing.

Les étapes de la croissance

Cinq stades ont été proposés pour la formation des biofilms :

Aux premier et deuxième stades, les cellules planctoniques présentent une association légère et faible avec le substrat, suivie d’une forte adhésion. Les troisième et quatrième stades sont caractérisés par l’agrégation des cellules en micro-colonies et la maturation ultérieure du biofilm. Au cinquième et dernier stade, les cellules formant le biofilm se détachent de la colonie et retournent à la vie planctonique de manière transitoire et se dispersent.

Facteurs impliqués dans la formation du biofilm

Le circuit de détection du quorum coordonne une variété de fonctions physiologiques, y compris l’induction et la formation de biofilms matures. Par exemple, chez Vibrio cholerae, à de faibles densités cellulaires, le mouvement des pili ou flagelles, ainsi que la biosynthèse et l’expression des exopolysaccharides, sont nécessaires à la formation d’un biofilm adéquat. Il a également été démontré que PhosphoLuxO et HapR fonctionnent pour activer vps, qui est également nécessaire à la formation du biofilm.

Les biofilms dans la genèse des formations minérales

L’origine purement minérale des oncolithes ou des oolithes a fait l’objet de débats. Les oolithes ont souvent un tapis microbien à leur surface qui pourrait favoriser la précipitation des carbonates ; si c’est le cas, il s’agirait d’une sédimentation induite (par opposition à une sédimentation contrôlée) semblable à celle des microbialites, mais à la différence des microbialites sur une structure qui n’est pas fixée au sol.



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