29 Août Les communautés bactériennes se mettent à la natation synchronisée
Des espèces bactériennes prélevées dans leur habitat naturel, une série d’étangs au Mexique, créent des motifs kaléidoscopiques spectaculaires, jetant un nouvel éclairage sur le comportement collectif.
Une région désertique du nord du Mexique a captivé l’imagination du professeur Joel Stavans, physicien spécialisé dans la physique des processus biologiques et particulièrement intéressé par les communautés bactériennes naturelles. Il a découvert un environnement aquatique unique dans le bassin de Cuatro Ciénegas – dont le nom signifie « quatre marais » en espagnol – situé dans l’État mexicain de Coahuila. Cette région abrite une extraordinaire diversité de formes de vie, notamment des communautés microbiennes rares qui prospèrent dans des conditions extrêmes similaires à celles qui existaient sur Terre au Précambrien, il y a environ 700 millions d’années.
Le bassin de Cuatro Ciénegas dans l’État mexicain de Coahuila / Shutterstock
Le Prof. Stavans et le Dr Rinat Arbel-Goren, chercheur principal dans son laboratoire du Département de Physique des Systèmes Complexes de l’Institut Weizmann des Sciences, ont participé à des expéditions scientifiques afin de prélever des échantillons dans la région. À leur retour en Israël avec plusieurs de ces espèces anciennes, ils ont été rejoints par le Dr Oscar Gallardo-Navarro, un microbiologiste mexicain spécialisé dans cet environnement unique, venu mener des recherches postdoctorales à l’Institut Weizmann.
(de gauche à droite) Dr Rinat Arbel-Goren, Prof. Joel Stavans et Dr Oscar Gallardo-Navarro
Au cours d’une expérience, le Dr. Gallardo-Navarro a été surpris de constater que, malgré des conditions de culture statiques, les cultures bactériennes formaient des zones dynamiques à la fois troubles et claires, visibles à l’œil nu, créant des motifs distinctifs propres à chaque espèce bactérienne. Ces motifs, observés dans les échantillons, ont façonné l’ensemble de l’étude.
Comme rapporté récemment dans Nature Communications, le groupe de recherche du Prof. Stavans a découvert que différentes espèces bactériennes, qui nagent vers des zones où la concentration en oxygène est plus élevée, génèrent des modèles d’auto-organisation uniques. En d’autres termes, chaque espèce a créé son propre design spatial : certaines ont formé des réseaux hexagonaux, d’autres ont créé des structures allongées ou sinueuses. Ces découvertes élargissent notre compréhension des mouvements collectifs dans les systèmes naturels tels que les volées d’oiseaux, les bancs de poissons et les colonies de fourmis, et pourraient également avoir des implications pour l’étude du comportement collectif humain et même dans le domaine de la robotique.
Autant d’espèces, autant de motifs : motifs de bioconvection uniques formés par différentes espèces bactériennes dans le cadre de l’étude, allant de stries sinueuses à des formes hexagonales complexes. Échelle : 2 mm
Les motifs saisissants que nous avons observés sont le résultat d’un processus appelé bioconvection », explique le Prof. Stavans. « Que ce soit dans un lac naturel ou dans une boîte de culture en laboratoire, les bactéries, qui ne peuvent survivre sans oxygène, nagent vers la surface de l’eau, où les niveaux d’oxygène sont plus élevés. Comme les bactéries sont plus denses que l’eau, la gravité les ramène vers le bas une fois qu’elles ont atteint la surface, générant ainsi des courants de convection. Il s’agit d’une interaction entre deux forces opposées : la gravité qui tire vers le bas et le besoin biologique d’oxygène des bactéries qui les tire vers le haut. De plus, le mouvement de va-et-vient facilite la nage dans les courants qu’il crée, formant ainsi un cycle autonome. »
La bioconvection est un phénomène scientifique bien documenté, mais cette étude révèle une nouvelle dimension : une remarquable diversité de modèles spécifiques à chaque espèce. « Les recherches précédentes se concentraient principalement sur des bactéries modèles cultivées en laboratoire », explique le Prof. Stavans, « et personne n’avait pensé à examiner de près les modèles de comportement collectif distinctifs présentés par différentes espèces et souches bactériennes issues d’une même communauté naturelle. »
Séparation kaléidoscopique : développement de motifs de bioconvection formés par deux populations bactériennes marquées par fluorescence provenant d’espèces différentes (l’une marquée en vert, l’autre en rouge), mélangées en proportions égales et observées pendant 30 minutes après le mélange.
Le principe de ségrégation
« Comme toutes les espèces provenaient du même habitat et de la même communauté, nous nous sommes demandé : que se passerait-il si nous les mélangions également en laboratoire ? », explique le Dr. Arbel-Goren. « Nous avons eu une grande surprise : elles ne se sont pas mélangées. Au contraire, elles ont maintenu une ségrégation spatiale au sein de la culture. »
Les chercheurs ont mélangé minutieusement différentes espèces bactériennes dans différents ratios et ont observé avec émerveillement l’émergence de nouveaux modèles de bioconvection, façonnés par les interactions entre les structures uniques produites par chaque espèce. Les scientifiques ont marqué les espèces à l’aide de différentes couleurs fluorescentes et ont suivi avec une grande précision l’emplacement de chacune d’entre elles dans le kaléidoscope époustouflant qui s’est formé.
Cinq espèces, un modèle étonnant : développement de modèles de bioconvection formés par un mélange de cinq populations bactériennes différentes, dont deux marquées par fluorescence
Intriguée par les raisons et les causes d’une ségrégation aussi spectaculaire, l’équipe a écarté l’hypothèse d’une attraction ou d’une répulsion biologique entre les espèces ; après tout, sans bioconvection, aucune ségrégation spatiale n’était observée. Les différences morphologiques entre les espèces ne pouvaient pas non plus expliquer le phénomène. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que celui-ci pouvait résulter des caractéristiques de motilité distinctes de chaque espèce. En analysant le comportement de nage des différentes bactéries, ils ont découvert que chaque espèce avait sa propre vitesse moyenne et sa propre fréquence de changement de direction. Plus la différence entre les caractéristiques de nage de deux espèces était grande, plus la ségrégation spatiale observée était marquée.
« Il est étonnant de voir comment des différences microscopiques dans le mouvement – de l’ordre de deux microns – peuvent donner lieu à des motifs visibles sur des zones plus de mille fois plus grandes », explique le Prof. Stavans.
Une bactérie Bacillus cereus prélevée dans le bassin de Cuatro Ciénegas au Mexique : capturée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM), l’image révèle les flagelles qui lui permettent de nager.
Les chercheurs pensent que cette ségrégation a évolué comme une stratégie visant à minimiser les collisions entre les bactéries nageant ensemble, afin de permettre à chaque espèce de répondre au mieux à ses besoins en oxygène au sein de leur habitat commun. Ces résultats pourraient s’appliquer non seulement aux communautés bactériennes du bassin de Cuatro Ciénegas, mais aussi aux écosystèmes microbiens du monde entier. De plus, note le Prof. Stavans, ces résultats pourraient avoir une incidence sur un domaine que les physiciens appellent la physique de la matière active, qui étudie les systèmes dans lesquels un comportement collectif résulte du mouvement autonome de composants individuels, même si ces derniers ne communiquent pas nécessairement entre eux.
La Science en Chiffres
Des différences microscopiques dans le mouvement des bactéries – de l’ordre de 2 microns – donnent lieu à des motifs visibles sur des zones plus de 1 000 fois plus grandes.
