Diffusion de bactéries en surface : de la particule au biofilm

par Thomas Vourc'h

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Hassan Peerhossaini.

Soutenue le 14-09-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (établissement de préparation) et de AstroParticule et Cosmologie (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Bénichou.

Le jury était composé de Hassan Peerhossaini, Salima Rafaï, Harold Auradou, Fernando Peruani, Atef Asnacios.

Les rapporteurs étaient Salima Rafaï, Harold Auradou.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous intéressons aux mécanismes précurseurs de la formation d'un biofilm dans le cas de la cyanobactérie Synechocystis sp. PCC 6803, en tant que micro-organisme modèle. Nous avons en premier lieu observé la motilité de cellules qui sédimentent puis diffusent librement sur une surface en verre. De plus, nous avons relevé les détails de la motilité des bactéries, qui est intermittente : des périodes de mouvements directionnels (les ``runs'') alternent avec des périodes de mouvements localisés (les ``tumbles''). Le coefficient de diffusion résultant décroît avec le temps, avant de se stabiliser; en revanche des souches mutantes relarguant moins de substance extracellulaire gardent un coefficient de diffusion constant au cours de l'expérience. Nous proposons un modèle de ralentissement basé sur une marche aléatoire à "temps continu" influencée par le recouvrement progressif de la surface par les exopolysaccharides secrétés par les bactéries. Les bactéries pourraient ainsi "reconnaître" le type de surface sur lequel elles évoluent et adapter leur motilité en conséquence, ce qui constitue une étape préliminaire dans la formation d'un biofilm. Nous avons vérifié ce point avec une étude de la diffusion sur des surfaces de différentes rigidités. L'expérience est cette fois prolongée pour étudier l'effet de la dureté du substrat sur la morphologie du biofilm. La proportion de bactéries non motiles est plus importante sur les surfaces molles. Cet effet à l'échelle de la particule conditionne en grande partie la morphologie des micro-colonies émergentes après plusieurs jours de culture, avec davantage de micro-colonies et une densité cellulaire plus hétérogène sur les surfaces molles. Nous construisons un modèle qui prend en compte la division cellulaire et le ralentissement de la dynamique individuelle, et permettant de conclure sur le lien entre rigidité de surface, dynamique cellulaire, et formation de micro-colonies. Le troisième chapitre expérimental aborde la réponse du système à des changements de conditions lumineuses, d'abord de manière isotrope puis en introduisant une lumière directionnelle. En conditions isotropes, les échelons d'intensité lumineuse perturbent les temps caractéristiques de ``run'' et de ``tumble''. Nous analysons ces variations dans le cadre de la théorie de la réponse linéaire. Nos données suggèrent qu'il est possible de décrire la réponse à une perturbation d'intensité lumineuse de manière similaire à des "stimuli" chimiques, avec la même fonction réponse. Sous un flux lumineux directionnel, nous observons une phototaxie complexe pour laquelle une fraction des cellules a un mouvement aléatoire pendant qu'une autre est sensible à l'anisotropie de l'éclairage. L'orientation des déplacements s'effectue dès l'introduction du flux lumineux, mais les temps de ``run'' et de ``tumble'' continuent d'évoluer pendant la période du flux lumineux suivant une tendance proche de celle observée en conditions isotropes. Ces résultats mettent en évidence le couplage entre l'intensité lumineuse et l'anisotropie de l'éclairage dans les mécanismes responsables de la phototaxie.

  • Titre traduit

    Bacterial surface diffusion : from particles to biofilms


  • Résumé

    In this work, we focus on the early stages of biofilm formation, using the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 as a model micro-organism. First, we observe the motility of cells that have just reached the surface after sedimentation, and are then let free to diffuse on a glass surface. The resulting diffusion coefficient decreases with time, until it reaches a plateau value; whereas mutant strains secreting less extracellular substance do not exhibit such a slowdown. To explore the mechanism at work, we investigate the details of bacterial motility, which is intermittent: periods of directional movements (``runs'') alternate with periods of localized movements (``tumbles''). We propose a slowdown model based on a continuous-time random walk, influenced by the progressive surface coverage with the exopolysaccharides secreted by the bacteria. They could then ``recognize'' the surface onto which they are diffusing and adapt consequently their motility, which establishes a preliminary step for the biofilm formation. We have adressed this issue by studying diffusion onto surfaces with different stiffnesses. The experimentation is extended in order to analyze the effect of surface toughness on the biofilm morphology. The proportion of non-motile bacteria is higher on softer surfaces. This effect on the individual particle affects the shape of emergent microcolonies after several days of growth, with more microcolonies and a more heterogeneous surface density on soft surfaces. We build a model that takes into account cellular division and individual dynamics slowdown that enables us to point out the relation between surface rigidity, cellular dynamics, and microcolonies formation. The third experimental chapter tackles the response of the system to changes in light conditions, first in an isotropic way, then by introducing a directional light. For isotropic conditions, steps of light intensity disrupt the characteristic ``run'' and ``tumble'' times. We analyze these variations in the framework of the linear response theory. Our data suggest that it is possible to describe the response to light disruptions in the same way as what has been done for chemical ``stimuli'', with a similar response function. With a directional luminous flux, we observe complex phototaxis, in which some fraction of the cellular population displays random movements, whereas another one is sensitive to the lighting anisotropy. The displacements are oriented as soon as the luminous flux is switched on, and the ``run'' and ``tumble'' times also respond this change. Our results show that light intensity triggers bacterial motility, whether it is oriented or not.


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