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Dynamique de formation des biofilms de Bacillus subtilis à l’interface eau-air : expériences et modélisation

Authors
  • Ardré, Maxime
Publication Date
Sep 26, 2014
Source
HAL-UPMC
Keywords
Language
French
License
Unknown
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Abstract

La plupart du temps, les bactéries vivent au sein de biofilms : un tissu biologique accroché sur des surfaces (molles ou solides), qui est composé de bactéries et de matrice extracellulaire. Lors de cette thèse nous avons étudié les mécanismes qui contrôlent la formation d’un biofilm à l’interface eau-air par Bacillus subtilis (BS). D’abord, nous avons observé l’évolution phénotypique de BS au cours du développement de sa population en milieu liquide, dans des conditions de culture standard (pas de biofilm in fine). Nous avons constaté que la population exhibe différents types cellulaires (phénotypes) au cours du temps. Puis, afin d’observer les étapes de la formation d’un biofilm, nous avons créé une expérience qui permet de suivre l’évolution macroscopique de la concentration des bactéries et sa répartition spatiale au sein du milieu de culture. Nous constatons qu’une accumulation de bactéries se forme en dessous de l’interface eau-air avant même l’apparition d’un biofilms. Cette accumulation est concomitante avec de la convection dans le fluide (bioconvection). Le biofilm apparait lors de la phase de croissance de la population en bactérie pour une concentration moyenne dans le milieu de culture de l’ordre de 10¹³ bactéries/m³. Ensuite, nous avons formulé un modèle continu qui renseigne sur l’évolution de l’environnement des bactéries. Ce modèle reproduit la bioconvection observée dans les expériences et révèle son effet sur la concentration en dioxygène dissous dans la culture. Enfin, nous avons construit un modèle hybride continu-discret qui décrit la transition de bactéries déconnectées (nomades) vers des bactéries connectées formant un biofilm solide (sédentaires). Chaque bactérie est considérée comme une particule individuelle. Le modèle tient compte des forces de contact, ainsi que les forces élastiques qui peuvent s’établir entre les bactéries lorsqu’elles sont liées par de la matrice. Un nombre minimal d’aptitudes biologiques a été utilisé pour modéliser les bactéries : la division cellulaire qui leur permet de coloniser le milieu de culture, la motilité et l’aérotactisme qui explique leur migration vers la surface liquide, le quorum sensing (QS) et la différenciation cellulaire qui leur permet de passer du phénotype nomade (motile) au phénotype sédentaire (producteur de matrice). L’environnement en dioxygène des bactéries et les propriétés hydrodynamiques du milieu sont décrits par des champs continus. Le modèle reproduit toutes les étapes de la formation d'un biofilm observées dans nos expériences et confirme la nécessité de certaines aptitudes biologiques. Il montre que le seuil de QS joue un rôle majeur dans la morphologie du biofilm et sa cinétique de formation. En revanche, le taux de consommation de dioxygène par les bactéries ne semble pas avoir de rôle important. Enfin, nous avons établi que la bioconvection agit comme un retardateur de la formation du biofilm.

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