Les biofilms

Des communautés microbiennes adhérentes et très organisées

Dans la grande majorité des écosystèmes étudiés, le mode de vie planctonique (en suspension) des microorganismes est très rarement rencontré ou ne constitue qu'un état transitoire, la vie microbienne se déroulant majoritairement sur les surfaces. Il est maintenant estimé que 99 % des microorganismes présents dans les environnements naturels sont fixés à des supports solides (1). Ces communautés adhérentes et très organisées sont identifiées sous l'appellation de biofilms (cf. photos 1 et 2).

Ce mode de vie associatif peut être particulièrement bénéfique pour les cellules microbiennes en leur permettant notamment d'assurer leur vie, et surtout leur survie, dans des environnements hostiles ou stressants.

Si ces entités communautaires contiennent des germes pathogènes ou d'altération, elles pourront être à l'origine de problèmes économiques, écologiques ou encore de santé publique plus ou moins sévères.

Néanmoins, certaines de ces structures peuvent présenter un caractère bénéfique recherché. C'est le cas notamment des industries de fermentation à cellules fixées, des stations de traitement des eaux usées…

Dans un tel contexte, on comprend que la maîtrise de ces phénomènes bioadhésifs soit un enjeu majeur pour un grand nombre de secteurs d'application. Malgré des architectures et des organisations variées, on sait aujourd'hui que la formation de ces édifices microbiens répond à un même processus caractérisé par les étapes indiquées en figure 1.

• Transport des cellules microbiennes vers la surface du support récepteur. L'adhésion faisant appel à une notion de proximité, pour pouvoir adhérer, les microorganismes doivent en effet venir au voisinage de la surface réceptrice i.e. quelques dizaines de nanomètres. Ce transport peut s'effectuer par sédimentation, mouvement brownien, forces de gravité, caractéristiques hydrodynamiques du fluide environnant ou encore par un mouvement autonome dans le cas de microorganismes mobiles (bactéries ciliées ou flagellées).
• Adhésion initiale d'une première couche de micro-organismes par l'intermédiaire d'interactions physico-chimiques entre la surface du microorganisme et la surface réceptrice (2). Dans le cas de surfaces biologiques, des contraintes stéréochimiques (mécanismes “clé-serrure” ou “ligand-récepteur”) peuvent également être impliquées. Ces mécanismes supposent néanmoins l'intervention de structures glucidiques, des adhésines, des pilis ou encore des protéines de surfaces.
• Consolidation de la position du microorganisme sur la surface réceptrice par le biais d'organites extracellulaires et/ou si les cellules possèdent l'information génétique et le substrat nutritif, par la synthèse de polymères extracellulaires.
• Colonisation de la surface par multiplication, co-agrégation cellulaire et, dans certains cas formation d'une couche muqueuse formant avec cette communauté microbienne, un biofilm (3).

Outre son caractère bioadhésif, cette couche muqueuse peut également servir de réservoir alimentaire pour les microorganismes et leur permettre de garder et concentrer contre les cellules hôtes, leurs nutriments et les enzymes digestives qu'elles sécrètent. Enfin elles leur offrent une protection contre un grand nombre d'agressions comme par exemple les désinfectants et les antibiotiques.

La maturation achevée (i.e. consolidation et colonisation), le biofilm peut être considéré comme un équilibre dynamique entre les phénomènes qui tendent à en augmenter et à en réduire l'épaisseur comme schématisé sur la figure 2.

Dans un tel processus, l'adhésion est une étape clé, susceptible d'influer sur l'hygiène des matériaux, et ce, quel que soit le secteur d'activité considéré.

L'adhésion microbienne, phase initiale de la formation des biofilms

L'adhésion microbienne étant l'étape cruciale dans la construction du biofilm, tout paramètre susceptible de modifier les interactions physico-chimiques citées précédemment peuvent potentiellement influencer l'adhésion microbienne...

1. (1) J.W. COSTERTON, K.J. CHENG, G.G. GEESEY, T.I. LADD, N.C. NICKEL, M. DOSGUPTON, I.J. MARINE, 1987. Bacterial biofilms in nature and disease, Annu. Rev. Microbiol., 41 : 4635-4641.
2. (2) OSS, C. J. VAN., 1996. Forces interfaciales en milieux aqueux. Masson, Paris.
3. (3) J.W. COSTERTON, P.S. STEWARD and E.P. GREENBERG, 1999. Bacterial biofilms : a common cause of persistent infections. Science 284 : 1318-1322.