Biofilms : de la compréhension des mécanismes à la conception de bioprocédés à biofilm et au développement de stratégies innovantes de lutte/contrôle

Les biofilms constituent le mode de vie microbien par excellence ; ils sont ubiquitaires, très utilisés en bioremédiation et bioproduction, mais également associés à des impacts négatifs en industrie et à de graves risques sanitaires.
Un biofilm est un assemblage de microorganismes associés à une surface et insérés dans une matrice de polymères extracellulaires (EPS), l’ensemble présentant une architecture tridimensionnelle.
Une partie de nos travaux, réalisés à petite échelle, visent à caractériser finement et in situ ces communautés (structure, composition, activité, … ) ainsi qu’à identifier et à comprendre les mécanismes mis en jeu. Pour ce faire, une méthodologie permettant le suivi in situ en microsystème, l’observation par microscopie confocale (CLSM) couplée au traitement d’images est développée et mise en application. Cette première étape est en effet indispensable pour répondre aux problématiques liées aux biofilms que nous étudions, que ce soit les exploiter pour améliorer la productivité des bioprocédés à microalgues ou pour lutter contre eux par le biais de nouvelles stratégies de dispersion.

 

Dans le cadre du développement des bioprocédés à biofilm de microalgues, nous nous sommes intéressés, en collaboration avec l’équipe Micalis de l’INRA, à mieux comprendre l’impact de divers facteurs abiotiques (intensité de lumière) et biotiques (type de microalgue) sur la structure des communautés photosynthétiques. Celle-ci affecte en effet fortement le métabolisme des cellules et donc in fine la productivité du bioprocédé. Selon nos premiers résultats la structure des biofilms photosynthétiques est fortement dépendante de l’espèce de µalgue employée (image ci-desssous) et la composition de la matrice varie significativement dans le temps et avec l’intensité lumineuse(1).

Imagerie 3D biofilms

Imagerie 3D de biofilms de (a) C. autotrophica, (b) C. vulgaris à partir de données de CLSM (les cellules sont en rouge et des exopolysaccharides en vert)

D’autre part, en collaboration avec le LBPA (ENS Paris Saclay), nous avons étudié la dispersion d’un biofilm d’E. coli, grâce à l’acide cis-2-décénoïque (CDA). Les résultats confirment l’activité dispersante très nette de la molécule (réduction de 40% de la biomasse en présence de CDA et de 0% en son absence) et suggèrent un changement d’expression génique des bactéries en présence de cette molécule(2). Nos travaux ont permis ainsi de mieux comprendre les mécanismes de dispersion, très peu décrits dans la littérature ; nous avons également conçu un outil informatique innovant d’analyse d’images de microscopie CLSM(3), qui permet à la fois de déterminer les propriétés structurales d’un biofilm et l’intensité de fluorescence in situ d’un rapporteur étudié. Cet outil, diffusé en open source, est bien sûr transposable à d’autres applications et pourra être une aide précieuse pour les chercheurs travaillant sur ces thématiques.

Références : (1) Paule, A., Deschamps, J., Briandet, R. and Lopes, F. (2017). Structural -temporal dynamics and architecture of microalgae biofilms under laboratory conditions. EABA Conference, Berlin, December 2017.

(2) Baudin, M., Cinquin, B., Scalvi, B., Pareau, D. et Lopes, F. (2017). Understanding the fundamental mechanism of biofilms development and dispersal: BIAM (Biofilm Intensity and Architecture Measurement), a new tool for studying biofilms as a function of their architecture and fluorescence intensity. Journal of microbiological methods, 140: 47-57.

(3) Cinquin, B and Lopes F. Quantification of fluorescence intensity and determination of structural features in biofilms. In: Methods and Protocols, Computer Optimized Microscopy. Springer (en revision).