Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
Reflets de la Physique n°56 jan/fév/mar 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°56 de jan/fév/mar 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 4,2 Mo

  • Dans ce numéro : dossier sur Pierre-Gilles de Gennes et l'innovation.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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Les micro-organismes peuvent coloniser les surfaces environnantes et s’organiser en un film de plusieurs centaines de microns d’épaisseur, appelé « biofilm ». Ils sécrètent une matrice extracellulaire polymérique qui assure une véritable cohésion et protection physique de la colonie, avec des effets qui peuvent être aussi bien bénéfiques que mortels pour son environnement. Nous nous sommes intéressés aux forces mécaniques structurant cette matière vivante solide et contribuant à maintenir son intégrité. Nous avons travaillé sur des biofilms de bactéries flottant à la surface d’un liquide. Nous montrons que ces systèmes ont des propriétés mécaniques originales et remarquables, du fait de leur capacité à croître et proliférer. 20 Reflets de la Physique n°56 La mécanique des biofilms à la surface de liquides Carine Douarche (1) (carine.douarche@u-psud.fr), Virginie Bailleux (1), Catherine Even (1), Jean-Marc Allain (2,3), Christophe Regeard (4) et Éric Raspaud (1) (eric.raspaud@u-psud.fr) (1) Laboratoire de Physique des Solides (CNRS UMR8502, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay), 91405 Orsay (2) Laboratoire de Mécanique des Solides (École polytechnique et CNRS), 91128 Palaiseau Cedex (3) M3DISIM, INRIA, Université Paris-Saclay, Campus de l’École polytechnique, 91120 Palaiseau (4) Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC), CEA-CNRS-Université Paris-Sud, 91198 Gif sur-Yvette Introduction aux biofilms Depuis la découverte des biofilms, la vision des biologistes sur le monde microbien a radicalement changé. En effet, les microorganismes (bactéries, archées, champignons, protistes, virus...) et, plus particulièrement, les bactéries, ont été pendant longtemps uniquement considérés comme existant sous une forme dite « planctonique », c’est-à-dire en suspension dans l’eau. Or, la vie microbienne de notre planète a colonisé non seulement les milieux aqueux mais également tous les milieux solides. Il est donc rare de trouver des surfaces totalement dépourvues de microbes, autre nom des micro-organismes. On estime d’ailleurs que 80% de la masse microbienne sur Terre existe sous une forme adhérée pouvant potentiellement donner naissance à un biofilm (fig. 1). Sachant que les microorganismes représentent plus de 90% des espèces et 60% de la biomasse sur Terre, cela place les biofilms comme le mode de vie principal sur la planète. Dans la nature, les biofilms ont été observés dans des niches écologiques aussi variées que la surface des plantes, les sols, les interfaces air-eaux stagnantes, les sédiments marins, la peau et les microbiotes des animaux, etc. La plupart du temps, ces biofilms naturels comportent plusieurs espèces. Tous les biofilms ont pour point commun une cohésion des cellules assurée grâce à une matrice extracellulaire. Celle-ci est composée de polymères complexes (souvent dérivés de polysaccharides), d’eau et quelquefois de protéines et d’acides nucléiques. Elle constitue un véritable rempart protecteur contre l’environnement souvent hostile et confère au biofilm des propriétés de matière solide. La grande majorité des biofilms sur Terre joue un rôle important dans le fonctionnement de la planète et intervient dans les cycles de la matière, le renouvellement des sols, l’assimilation des aliments chez les animaux, etc. Les exemples de biofilms « bénéfiques » sont pléthore. A contrario, lorsqu’une bactérie pathogène se développe en biofilm, elle devient plus résistante aux traitements antibiotiques et elle est capable de coloniser facilement des implants médicaux, ce qui représente la cause principale des infections nosocomiales. La compréhension de tous les processus biologiques, génétiques, chimiques ou physiques impliqués dans la formation des biofilms est donc capitale pour mieux les utiliser ou mieux les combattre. Les physiciens ont ainsi leur mot à dire. Nous nous sommes intéressés aux propriétés mécaniques des biofilms. Nous avons choisi de travailler sur des biofilms flottant à la surface d’un liquide plutôt qu’adhérant sur une surface solide, afin de distinguer clairement la réponse mécanique du biofilm solide de celle du substrat liquide. Les biofilms étudiés sont formés par une souche sauvage (nommée NCIB 3610) de la bactérie du sol Bacillus subtilis, cette bactérie servant souvent de modèle de laboratoire. Une des premières questions que nous nous sommes posées concerne l’existence de contraintes internes (appelées encore « précontraintes ») , c’est-à-dire de contraintes existant dans le matériau alors » >
Espéces bactériennes planctoniques  : 1 ers colonisateurs Adhésion Organelles d’adhésion Autres espéces bactériennes, virus  : 2nds colonisateurs Matrice extracellulaire Microcolonie Surface ou interface Croissance en surface Maturation Dispersion J Avancées de la recherche Une contrainte (stress en anglais) est une force par unité de surface s’exerçant localement F F sur les parois d’un petit volume de matériau. A Elle peut avoir n’importe quelle orientation par rapport à la surface et, d’une manière a générale, on peut la décomposer en deux composantes  : normale et tangentielle. La contrainte normale met le matériau en tension (les particules du matériau tirent les unes sur les autres) ou en compression (les Acier particules poussent les unes sur les autres). La contrainte tangentielle cisaille quant à elle b le matériau. E1. (a) Barreau en tension. (b) Béton précontraint. Prenons l’exemple (fig. E1a) d’un barreau mis en tension par deux forces égales et opposées (de norme F) appliquées à ses deux extrémités  : n’importe quelle section d’aire A perpendiculaire à l’axe du barreau subit alors une contrainte en tension σ = F/A. Cette contrainte traduit l’équilibre mécanique local entre deux sous-parties du barreau, situées de chaque côté de la section. Si le barreau est en trop forte compression, il finira par flamber, c’est-à-dire par se courber tout en restant élastique  : un bon exemple est une règle que l’on courbe en appuyant assez fort des deux côtés (et qui revient quand on relâche la force). 3 On parle de « contrainte interne » ou de « précontrainte » (prestress en anglais) lorsque la contrainte considérée existe en l’absence de force extérieure. Le béton précontraint, illustré sur la figure E1b, est un exemple connu car il est largement utilisé dans la construction de bâtiments. La compression du béton est réalisée en mettant en traction une armature d’acier située à l’intérieur de la poutre. La précontrainte de compression le rend plus résistant aux forces qu’il subit. Dans le domaine de l’ingénierie des matériaux, la trempe du verre ainsi que le grenaillage de pièces métalliques permettent aussi d’améliorer leurs propriétés mécaniques  : le traitement génère une précontrainte de compression qui améliore la tenue mécanique de leur surface en augmentant leur résistance aux initiations et propagations de fissures. De nombreux matériaux vivants ont également des contraintes internes. Celles-ci apparaissent clairement lorsque qu’on découpe un morceau du matériau  : il change alors de forme sous l’effet des contraintes internes qui se libèrent. On peut citer un certain nombre de plantes (la rhubarbe ou la pastèque par exemple), de tissus, d’organes (comme les artères)  : les contraintes internes proviennent de leur croissance dans un environnement complexe, par exemple lorsqu’un tissu grandit plus vite que le tissu voisin. 1. Les différentes étapes de formation d’un biofilm. Un biofilm peut être défini comme une communauté multicellulaire colonisant une surface ou une interface et dans laquelle les cellules (notamment les bactéries) sécrètent de la matrice extracellulaire polymérique. Sa formation est généralement décrite comme une succession d’étapes  : adhésion, croissance en surface, maturation puis dispersion. Contraintes internes dans les matériaux Gradient de nutriments et d’oxygène Reflets de la Physique n°56 21



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