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Malgré leur apparente simplicité, bactéries et microorganismes parviennent à s'assembler en formes complexes. Afin de mieux comprendre comment elles créent ces formes, des chercheurs du laboratoire Matière et systèmes complexes et de l'université de Hong Kong ont modifié génétiquement des souches de bactéries E. coli en ajoutant un contrôle croisé de leur motilité. Dans ces travaux publiés dans la revue Nature Physics, les bactéries s'organisent en anneaux concentriques, les différentes souches s'éloignant ou se mélangeant selon qu'elles sont programmées pour se ralentir ou s'accélérer mutuellement.
Deux souches de bactéries, visualisées par fluorescence en rouge et en vert respectivement, sont déposées au centre d'une boîte de Petri. Ces souches ont été modifiées génétiquement de telle sorte que chacune augmente localement la motilité de l'autre. Lors de leur migration (de gauche à droite), les bactéries s'autoorganisent dans des anneaux concentriques menant à la séparation spatiale des deux souches. © MSC
Lors du développement des embryons ou pour former des colonies, et bien qu'elles ne possèdent pas les sens et l'intelligence d'organismes plus complets, les cellules s'autoorganisent en des formes parfois très complexes. De nombreux travaux étudient comment, à partir d'un jeu de règles comportementales simples, ces organismes microscopiques s'arrangent dans l'espace et dans le temps. Les bactéries façonnent par exemple des colonies aux configurations variées, dessinées par la répartition de différentes souches bactériennes. Des physiciens du laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC, CNRS/Université de Paris) et des microbiologistes de l'université de Hong Kong ont exploré ce phénomène et montré que, en présence de deux souches de bactéries, une régulation croisée de leur motilité produit à la fois une structuration spatiale de la colonie en anneaux concentriques et une séparation ou un mélange des souches.
Les chercheurs ont pour cela modifié génétiquement des bactéries Escherichia coli, pour obtenir deux variantes, chacune émettant des molécules qui agissent sur la motilité, ou l'efficacité du déplacement, de l'autre. Dans une configuration altruiste, où chaque souche produit une substance qui favorise l'autre, les souches se dissocient. À l'inverse, lorsqu'elles se ralentissent l'une l'autre, les souches restent mélangées. Dans les deux cas, les bactéries s'arrangent en anneaux concentriques, alors qu'elles ne sont pas individuellement sensibles à la position de leurs voisines. L'expérience confirme ainsi l'efficacité d'un nouveau mécanisme d'organisation spatiale entre plusieurs espèces, que les chercheurs avaient identifié dans des simulations numériques et compris à travers leur analyse théorique. Au-delà des questions fondamentales ayant trait à l'auto-organisation en biologie, ces travaux laissent entrevoir de nouvelles manières d'organiser la matière active, celle constituée d'éléments capables de se déplacer seuls, avec à terme des applications en robotique et en science des matériaux.
Références:
Engineering cooperative patterns in multi-species bacterial colonies,
A. I. Curatolo, N. Zhou, Y. Zhao, C. Liu, A. Daerr, J. Tailleur and J. Huang.
Nature Physics, août 2020.
https://doi.org/10.1038/s41567-020-0964-z
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