Service de Physique de l'Etat Condensé

19 mai 2018
Nouveau type de matière active expliquant la formation d'agrégats bactériens
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Dans un article publié le 17 Mai 2018, dans la revue Cell, l'équipe dirigée par Guillaume Duménil à l'Institut Pasteur, en collaboration avec le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) et celui de Raphaël Voituriez (UPMC), décrypte une étape clé de l’infection causée par le méningocoque, un pathogène humain responsable de méningites chez les nourrissons et les jeunes adultes. Malgré une prise en charge rapide, le taux de mortalité dû à ces infections reste très important.

La modélisation statistique permet de rendre compte des interactions conduisant à la formation des agrégats bactériens observés. L'étude révèle un nouveau type de matière active basée sur la présence des forces attractives intermittentes entre ses éléments constituants.

 
Nouveau type de matière active expliquant la formation d'agrégats bactériens

Agrégat bactérien ©Julien Husson (LadHyX, École polytechnique - Palaiseau)

L’infection humaine se caractérise par l’accumulation de bactéries à l’intérieur des vaisseaux sanguins qui se trouvent entièrement remplis de bactéries bien que, ni les mécanismes de formation, ni l’impact de ce processus ne soient connus. Intrigués par la formation de ces agrégats intravasculaire, le consortium de scientifiques s’est attelé à comprendre cette étape de l’infection, tout particulièrement sa base physique. Il ressort de cette étude que les agrégats bactériens formés par le méningocoque se comportent de façon inattendue comme un liquide actif visqueux, avec une viscosité proche de celle du miel. L’étude montre que la formation de ces agrégats et leurs propriétés physiques sont essentielles pour la progression de l’infection.     

Les propriétés de liquide actif des agrégats dépendent d’un facteur de virulence appelé pilus de type IV. Il s’agit de long filaments adhésifs et dynamiques qui s’allongent et se rétractent en permanence à la surface de la bactérie. Ces filaments permettent aux bactéries de se trouver, de se rapprocher et d’entrer en contact de façon réversible. L’agrégation est donc basée sur un processus télégraphique d’attraction entre les bactéries.

 
Nouveau type de matière active expliquant la formation d'agrégats bactériens

A gauche, instantané d’un agrégat de bactéries Neisseria augmenté des trajectoires individuelles à temps court. Les bactéries en surface sont plus motiles que les cellules isolées. A droite : Simulation d’un petit agrégat où sont représentées les connexions potentielles entre les particules, lesquelles sont activées de manière intermittente.

Sur le plan physique ce processus d’interaction confère à ces agrégats des propriété originales jusque-là non décrites. Un modèle minimal, mais suffisamment réaliste pour permettre la comparaison quantitative avec des expériences contrôlées, a été développé et étudié au SPEC/SPHYNX. Dans celui-ci, les particules voisines interagissent par paires selon un potentiel répulsif à courte distance et attractif à moyenne distance. Ceci est très classique. La spécificité du modèle vient de l’intermittence de la partie attractive, qui est branchée et débranchée selon des règles probabilistes. Si le rapport des temps typiques pendant lesquels l’attraction est branchée et débranchée est trop petit, aucun agrégat ne se forme. Si ce paramètre est suffisamment grand, l’agrégation prend place et donne lieu à des amas aux propriétés étonnantes. Le modèle montre que les bactéries à l’intérieur des agrégats présentent une "motilité" plus élevée que celle observée par la diffusion des bactéries isolées, ce qui est confirmé par des mesures expérimentales. Cette étude révèle ainsi un nouveau type de matière active, basé sur la présence des forces attractives intermittentes entre ses éléments constituants.

Cette étude pluridisciplinaire a pu être réalisée grâce à une étroite collaboration entre un laboratoire spécialisé dans les infections causées par le méningocoque (G. Duménil, Institut Pasteur et INSERM) et des physiciens, qui a permis de coupler une approche expérimentale quantitative avec un modèle physique de matière active.

 


Référence :

Intermittent pili-mediated forces fluidize neisseria meningitidis aggregates promoting vascular olonization
Daria Bonazzi, Valentina Lo Schiavo, Silke Machata, Ilyas Djafer-Cherif, Pierre Nivoit, Valeria Manriquez, Hirokazu Tanimoto, Julien Husson, Nelly Henry, Hugues Chaté, Raphael Voituriez, Guillaume Duménil, Cell (2018) in press.

Voir le site "Cell mechanics" du laboratoire LADHYX, Ecole Polytechnique, Palaiseau (France).

Thèse  d'Ilyas Djafer-Cherif : "Continuous and stochastic descriptions of active matter", soutenue le 24 juillet 2017.

Contact CEA : Hugues Chaté, IRAMIS/SPEC/SPHYNX

Collaboration :

  1. Pathogenesis of Vascular Infections Unit, INSERM, Institut Pasteur, 75015 Paris, France
  2. Service de Physique de l’Etat Condensé, UMR 3680 CEA-CNRS, Université,  Paris-Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
  3. Institut Jacques Monod, 75013 Paris, France
  4. Laboratoire d’Hydrodynamique (LadHyX), Department of Mechanics, Ecole Polytechnique-CNRS UMR7646, 91128 Palaiseau, France
  5. Laboratoire Jean Perrin, CNRS UMR 3231, Université, Pierre et Marie Curie, 75005 Paris, France
  6. Computational Science Research Center, Beijing 100193, China
  7. Laboratoire de Physique Théorique de la Matière Condensée -LPTMC, CNRS, Université Pierre et Marie Curie, 75005 Paris, France
 

Maj : 03/07/2018 (2856)

 

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