Combien de force les bactéries produisent-elles ? C'est maintenant mesuré

Les bactéries migrent en utilisant une gamme de mécanismes ambulatoires curieux. Ces migrations leur permettent de suivre des proies, de former des biofilms et simplement de s'agréger.

Et cela soulève une curieuse question. Compte tenu de cette capacité de mouvement, quelle force les bactéries produisent-elles lorsqu'elles se déplacent ? En d'autres termes, jusqu'où peuvent-ils pousser ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Joshua Shaevitz, Benedikt Sabass et Howard Stone de l'Université de Princeton. Ces gars-là ont mis au point une méthode pour mesurer les forces minuscules impliquées et montrent que lorsqu'il s'agit de pousser et de pousser, les bactéries frappent bien au-dessus de leur poids.

Une cellule bactérienne typique ne mesure que quelques micromètres de long et a une masse de l'ordre de 10 à 15 kilogrammes. Sous la force de gravité, une seule cellule exercerait une force d'environ 10 femtonewtons. Ce n'est pas une force facile à mesurer.

Shaevitz et co tentent de le faire en utilisant une technique connue sous le nom de microscopie à force de traction. Ceci est basé sur l'observation que les bactéries déforment tout matériau mou autour d'elles lorsqu'elles se déplacent. Ainsi, en mesurant ces déformations, il est possible de calculer les forces qui les sous-tendent.

L'expérience consiste à placer les bactéries sur un matériau semblable à un gel mou, puis à utiliser un microscope pour les photographier au fur et à mesure qu'elles se déplacent. Le matériau en question est une fine couche de gel élastique souple en polyacrylamide enduit de chitosane. Celui-ci a des propriétés matérielles bien caractérisées, ce qui permet de calculer facilement la force nécessaire pour le déformer.

Mais lorsque les déformations sont petites, elles sont difficiles à voir. Ainsi, le gel contient également des microbilles de deux couleurs différentes qui bougent au fur et à mesure que le matériau se déforme et sont plus faciles à voir. Au fur et à mesure que les cellules se déplacent sur la surface, tout changement de position des microbilles peut être utilisé pour calculer les déformations que ce mouvement provoque.

Shaevitz et co mènent leurs expériences sur Myxococcus xanthus bactéries, qui se déplacent en utilisant deux mécanismes différents. Le premier est une sorte de mouvement de glissement dans lequel la membrane cellulaire en contact avec la surface agit comme une piste de réservoir lorsque la créature se déplace. Une seule cellule de glissement produit des forces de quelques piconewtons (10-12 Newton), ce qui est à peine suffisant pour déformer le gel. Nous concluons que le glissement des cellules individuelles est un processus à faible frottement qui n'affecte guère l'environnement mécaniquement, disent Shaevitz et co.

Pourtant, Myxococcus xanthus avoir une autre façon plus puissante de se déplacer. Il s'agit d'une sorte de mécanisme de grappin dans lequel chaque cellule produit de petites protubérances ressemblant à des cheveux appelées pili qui s'étendent vers l'avant et se fixent à la surface. En enroulant les pili, les bactéries se tirent à des vitesses d'environ un micromètre par seconde, soit environ une longueur de corps par seconde.

Dans ce cas, Shaevitz et co disent que la force moyenne générée par une seule cellule est d'environ 50 piconewtons, c'est 10 fois plus élevé que pour le mouvement de glissement.

De plus, les bactéries se déplacent généralement en groupe, de sorte que leurs forces collectives peuvent être beaucoup plus élevées. Les mesures montrent que des groupes de bactéries exercent une force de plus de 100 piconewtons.

C'est un travail intéressant qui révèle au moins certaines des capacités des bactéries en tant que locomotives.

Il reste cependant d'importantes questions sans réponse. Par exemple, la résolution de ce type de microscopie à force de traction est d'environ 0,5 micromètre, ce qui signifie que des déformations inférieures à cela ne peuvent pas être mesurées. Cette technique passe donc à côté de toute dynamique qui se produit à plus petite échelle.

Il existe également de nombreux autres mystères associés au mouvement bactérien. Par exemple, personne ne sait pourquoi Myxococcus xanthus peut se déplacer plus rapidement sur de la gélose molle que sur de la gélose rigide. Mais ce genre de travail devrait aider à révéler des réponses.

Au-delà de cela, une question intéressante est de savoir comment exploiter le mouvement bactérien. Si ce mouvement génère des forces, pourquoi ne pas les utiliser pour pousser des leviers, actionner des interrupteurs, faire tourner des roues de hamster, transporter des marchandises, etc. ? Il n'est pas difficile d'imaginer un véritable Disneyland de l'activité bactérienne.

Bien sûr, les machines à cette échelle fonctionnent d'une manière entièrement différente de l'échelle humaine - les forces d'inertie deviennent insignifiantes tandis que d'autres effets tels que les forces de van de Waal deviennent extrêmement importants. C'est quelque chose que les concepteurs de dispositifs microélectromécaniques savent depuis longtemps - peut-être pourraient-ils aider ?

En effet, ce n'est pas au-delà de l'imagination que les forces collectives des bactéries migrantes pourraient un jour être exploitées pour effectuer un travail utile à l'échelle du micromètre.

Réf : arxiv.org/abs/1701.00524 : Génération de force collective par des groupes de bactéries migrantes

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