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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 » > qu’aucune force extérieure ne lui est appliquée (voir l’encadré p.21). En effet, celles-ci apparaissent dans de nombreux systèmes biologiques en croissance et sont aussi présentes dans maints objets du quotidien. Comme elles permettent de rendre les matériaux plus résistants à une force mécanique extérieure, nous nous sommes demandé si de telles contraintes existaient dans les biofilms. Le biofilm  : un matériau précontraint Notre dispositif expérimental est présenté sur la figure 2a [1]. La croissance du biofilm a lieu dans un récipient rectangulaire délimité par quatre parois verticales. Une paroi mobile reliée à un capteur de force est maintenue plongée au centre, dans le milieu de culture, pendant la croissance du biofilm. Le capteur mesure la composante normale à la surface de la paroi et une valeur nulle de la force sur le capteur correspond à une situation où toutes les forces qui agissent sur cette paroi sont nulles ou bien se compensent. Après environ deux jours d’incubation, le biofilm forme une pellicule plane qui recouvre toute la surface du liquide et adhère à toutes les parois verticales. Dans cet état initial, le biofilmentoure la paroi mobile. Pour mettre en évidence la contrainte interne, nous avons réalisé une série de découpes à l’aide d’un scalpel, comme illustré par les lignes et les flèches colorées de la figure 2b. Les valeurs correspondantes de la force à chaque étape Paroi Paroi mobile Paroi mobile mobile Capteur Capteur de Capteur force de force de force 22 Reflets de la Physique n°56 Caméra Caméra Caméra sont tracées en figure 2c. À l’étape 1 (en bleu), le biofilm est intact et aucune force n’est détectée. À l’étape 2 (lignes fléchées de découpe en noir), nous avons enlevé la partie du biofilm qui se trouve derrière la paroi mobile. Il apparaît alors une force négative sur le capteur ; cette force, illustrée par une flèche en figure 2a, pousse sur le capteur ce qui montre l’existence d’une force compressive dans le biofilm. À l’étape 3 (en vert), nous avons découpé le biofilm en suivant les deux lignes fléchées vertes, ce qui laisse une bande de biofilm de largeur égale à celle de la paroi mobile. La force résultante est alors un peu moins élevée en valeur absolue, mais toujours négative. Nous avons enregistré cette valeur de force compressive dans toutes nos expériences. Enfin, nous avons détaché la pellicule du bord opposé en suivant la ligne fléchée violette, et écarté la paroi mobile du bord opposé pour que la pellicule puisse avoir plus d’espace pour relaxer. La force redevient alors nulle (étape 4, en violet). Toutes les mesures indiquent ainsi qu’il existe une force de compression dans le biofilm et qu’elle est due au confinement du biofilm dans la boîte. À noter que cette force est bien présente dans le biofilm intact de l’étape 1 mais elle est contrebalancée par une force opposée qui s’exerce sur l’autre face de la paroi mobile ; la résultante des deux, mesurée en figure 2c, devient alors nulle. Nous avons mesuré la force compressive à l’étape 3 sur différents échantillons ayant des durées d’incubation différentes (de quelques heures à plusieurs jours). Nous Bord opposé Bord opposé Bord opposé o Initial Initial Initial Ç r=a7/0 Paroi Paroi mobile Paroi mobile mobile 1 observons que la force mesurée est nulle avant la formation d’une pellicule, augmente puis devient constante dès qu’un biofilm apparaît. Cette valeur reste constante quel que soit l’âge du biofilm, ce qui montre que les bactéries construisent un biofilm en maintenant la précontrainte constante. Lorsque la force mesurée est divisée par la surface de la section de biofilm sollicitée (épaisseur du biofilm de l’ordre de 300 micromètres multipliée par la largeur de la paroi mobile), nous obtenons une valeur de la contrainte interne de l’ordre de - 80 Pa. Cette faible valeur reste constante et est indépendante des dimensions macroscopiques du système (distance entre paroi mobile et bord opposé d’une part, et largeur de la paroi mobile d’autre part). Nous pouvons supposer que le même type de contrainte apparaîtra dans un biofilm poussant sur une surface plane solide ou dans un biofilm présentant des hétérogénéités ou des taux de croissance différents à l’intérieur de celui-ci. Le biofilm étant précontraint, nous avons voulu vérifier si cette précontrainte permettait au biofilm de mieux résister à des dommages éventuels. Lorsque nous essayons de détériorer avec une pointe de pipette une pellicule compressée, la contrainte interne tend à refermer la pellicule dans son état initial ; la cohésion et l’intégrité du biofilm sont ainsi maintenues (voir la vidéo [2]). Ce n’est pas le cas si la contrainte interne est nulle et que la pellicule est complètement relaxée (voir la vidéo [3]). Bord opposé Bord opposé Bord opposé 0,5 0,5 0,5 Final Final Final Initial Initial Initial 0 0 0 -1,5 -1,5 F < 0F < 0F < 0 a b -2 c Force (mN) Force (mN) -0,5 -1 1 Force (mN) -0,5 -1 -2 o 1 -0,5 -1 -1,5 -2 Final Final Final 2. Mise en évidence de contraintes internes dans un biofilm. (a) Vue schématique en perspective du dispositif. La vue illustre l’état de la pellicule à l’étape de découpe numérotée 2 en (b), une fois que la partie de biofilm située à gauche de la paroi mobile sur la figure a été retirée de l’échantillon. Une force négative F, schématisée par une flèche, correspond au cas où la plaque s’éloigne du bord opposé. (b) Vues de dessus du biofilm au cours des étapes de découpe. La plaque mobile est schématisée par un rectangle hachuré et les lignes fléchées colorées montrent les découpes successives. Barres d’échelle = 5 mm. (c) La force agissant sur la plaque mobile est mesurée à chaque étape de découpe (bleu  : étape 1, noir  : 2, vert  : 3, violet  : 4). [1].
La morphologie ridée des pellicules En d’autres termes, indépendamment de la géométrie de l’expérience, il existe un phénomène de régulation au cours de la croissance du biofilm, qui maintient constante la contrainte interne qu’il développe. Étonnamment, cette contrainte « critique » apparaît assez tôt dans la vie du biofilm. Ainsi, lorsqu’il va grandir et croître dans un espace limité, la contrainte va atteindre cette valeur critique et la pellicule n’aura pas d’autre choix que de se déformer en dehors du plan de l’interface eau-air et de former une structure ridée telle celles observées sur la figure 3 [4]. Comme le montre cette figure, la morphologie varie d’une souche à l’autre. Elle peut aussi varier en fonction du milieu de culture. La différence de morphologie provient de plusieurs facteurs comme la composition de la matrice extracellulaire ou l’hétérogénéité du biofilm. En étudiant en détail les motifs si particuliers formés par les biofilms à maturation de la souche NCIB 3610 (vue de droite en figure 3), nous nous sommes rendus compte qu’il existe une longueur caractéristique des rides dans le système, de l’ordre d’un ou deux millimètres, et très reproductible d’un biofilm à l’autre. Ce phénomène, dit de « flambage », bien connu dans le cas de matériaux élastiques sous compression, correspond à une instabilité mécanique et induit une ondulation du matériau. La longueur d’onde caractéristique prédite théoriquement résulte alors d’une compétition entre l’énergie de flexion du matériau et l’énergie associée à la déformation du substrat liquide (l’énergie gravitationnelle pour une surface ondulée) ; nous avons trouvé que la prédiction théorique de ce modèle est du même ordre de grandeur que la valeur millimétrique mesurée expérimentalement. À noter que des rides de plus grande amplitude peuvent aussi apparaître dans certains biofilms, comme ceux de la souche sauvage DV1 (figure 3 de gauche). Il s’agit dans ce cas de plis dont la formation permet de localiser la déformation du biofilm en quelques endroits précis, c’est-à-dire en leurs sommets, le reste du biofilm pouvant être quasiment plat. La rhéologie 1 cm L’apparition de rides nous permet de supposer un comportement élastique des biofilms de B. subtilis. Pour le mettre en évidence, nous avons légèrement modifié le montage expérimental décrit précédemment, de façon à solliciter mécaniquement de manière contrôlée le biofilm. Cette fois-ci, deux parois mobiles sont maintenues plongées dans le milieu de culture au cours de la croissance du biofilm (fig. 4a). L’une est reliée à un capteur de force comme précédemment et l’autre à une platine pouvant se déplacer selon l’axe normal à la surface des parois. Ainsi, il est possible d’augmenter la distance entre les deux parois et d’imposer alors une déformation au biofilm (qui adhère aux deux parois). Dans l’expérience présentée en figure 4b, la déformation imposée au biofilm augmente linéairement au cours du temps, jusqu’à ce que le biofilm se rompe complètement après 60 secondes. Après rupture, la paroi reliée à la platine continue de se déplacer librement sans connexion avec le biofilm. Pendant le déplacement de la paroi, nous mesurons simultanément la force sur le capteur. Afin de simplifier l’interprétation de la mesure, nous gardons uniquement la bande de biofilm qui se trouve entre les deux parois, c’est-à-dire que nous nous arrêtons à l’étape 3 des schémas de découpe illustrés en figure 2a. En mesurant l’épaisseur initiale du biofilm et connaissant sa largeur, nous pouvons alors représenter une contrainte en fonction du temps Avancées de la recherche 3. Formation de rides dans des biofilms en compression. Vue de dessus de deux biofilms de Bacillus subtilis de type sauvage flottant sur le milieu de culture liquide après environ 67 heures d’incubation à 23 °C [4]. À gauche  : la souche sauvage DV1. À droite  : la souche sauvage NCIB 3610. 1 cm (courbe du bas de la figure 4b) ou en fonction de la déformation imposée [4, 5]. La contrainte augmente au cours du temps jusqu’à la rupture du biofilm, puis devient nulle au-delà puisque le biofilm détaché n’est plus confiné ni soumis à aucune force extérieure. Avant rupture, la figure 4b montre très clairement que la gamme de contraintes négatives (en compression) est au moins aussi étendue que la gamme de contraintes positives (en tension). Les deux régimes de compression et de tension sont tout aussi importants l’un que l’autre pour décrire les propriétés mécaniques du biofilm. Le domaine des petites déformations réversibles se trouve ainsi dans le régime de compression et, dans ce domaine, la variation de la contrainte est linéaire avec la déformation, impliquant un comportement élastique du matériau. Le module élastique (paramètre physique indiquant la capacité d’un matériau à se déformer sous la contrainte) est en moyenne de l’ordre de 300 Pa, révélateur d’un matériau particulièrement « mou ». Cette valeur est en effet très faible par rapport aux modules élastiques de matériaux classiques comme le caoutchouc (de l’ordre de 10 6 Pa), mais reste comparable aux modules de cellules eucaryotes ou de tissus/organes mous comme le cerveau (de l’ordre de 10 3 Pa). Cette valeur dépend de la structure du biofilm ainsi que de la composition de la matrice extracellulaire secrétée par les bactéries. Le domaine des grandes déformations » > Reflets de la Physique n°56 23



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