Les études de chimiotactisme bactérien microfluidique - Interview

Je m'appelle Roman Stocker. Je suis professeur adjoint en deuxième année au laboratoire Ralph Parsons, qui fait partie du département de génie civil et environnemental du MIT. Je suis originaire d'Italie et j'ai étudié la mécanique des fluides.

Mon parcours est donc davantage ancré dans les sciences physiques, mais au cours des deux dernières années, voire trois, je me suis davantage orienté vers des sujets environnementaux et biologiques. Il y a deux ans, j'ai commencé à développer de la microfluidique afin d'aborder des problèmes en écologie microbienne, et grâce à ces dispositifs miniaturisés, nous sommes en mesure d'étudier des questions écologiques classiques à des échelles de l'ordre du micron. Nos travaux portent principalement sur les organismes aquatiques capables de nager dans l'océan et de suivre leurs sources de nourriture.

En particulier, les bactéries ont développé des moyens très ingénieux de nager, et j'ai ici une petite démonstration. La tête bactérienne est essentiellement un ellipsoïde. Imaginez-la d'une taille d'environ deux microns.

À l'arrière du bactérie, il y a un ou plusieurs flagelles. Ces flagelles sont des structures hélicoïdales que la bactérie peut faire tourner. Cette rotation produit une poussée qui permet à la bactérie de nager effectivement vers l'avant.

Il existe différents modes par lesquels les bactéries accomplissent cela, ainsi que diverses stratégies de nage, ce qui fait partie intégrante des sujets étudiés dans notre recherche. La raison pour laquelle les bactéries nagent dans l'océan est de pouvoir mieux exploiter les sources de nutriments, ce qui s'inscrit dans un changement de paradigme survenu au cours des 15 à 20 dernières années. Auparavant, on pensait que l'océan constituait une soupe homogène de nutriments à des échelles allant du mètre à plusieurs dizaines de mètres, et dans cette vision de l'océan, on considérait que des organismes à petite échelle comme les bactéries ne jouaient aucun rôle substantiel et qu'elles étaient simplement transportées passivement par les courants océaniques.

Il y a toutefois 10 ou 15 ans, les chercheurs ont compris que ce n’était vraiment pas ce qui se passait dans l’océan et que, en réalité, ces organismes à petite échelle comptent parmi les acteurs les plus importants pour déterminer la santé des océans et, par conséquent, même des phénomènes tels que notre climat mondial. Cela s’explique par deux raisons. La première est qu’ils sont présents partout dans l’océan, et que leur biomasse cumulée dépasse de loin celle de tous les autres organismes marins.

La deuxième raison, et peut-être la plus fondamentale, est que ces organismes de petite taille, en utilisant les sources de nutriments et en particulier le carbone, peuvent recycler les nutriments pour d'autres composants du réseau trophique et ainsi intensifier considérablement d'autres aspects et d'autres parties de la chaîne trophique dans l'océan. Dans tout cela, notre travail se concentre principalement sur l'interaction entre les organismes nageurs et les zones riches en nutriments. Les bactéries ne sont pas seulement capables de nager, mais elles sont également capables de détecter les gradients de nutriments.

C’est-à-dire qu’ils sont capables de détecter quand les conditions de vie s’améliorent et de nager vers des gradients de nutriments. Ils accomplissent cela par un processus appelé chimiotaxie. La chimiotaxie est la capacité à détecter un gradient chimique et à s’orienter en nageant vers celui-ci.

C’est vraiment ce que nous étudions en laboratoire, et la microfluidique est un outil qui nous permet d’analyser les capacités chimiotactiques et de nage des bactéries, et donc d’extrapoler et d’évaluer leur rôle afin de déterminer leur importance dans la santé de l’océan. Depuis un an et demi, nous avons mis en place des dispositifs microfluidiques qui nous permettent d’exposer les bactéries à différents types de conditions que l’on trouve habituellement dans l’océan. Comme je l’ai mentionné précédemment, des zones riches en nutriments typiques, mais aussi, par exemple, la turbulence.

Ce que nous avons découvert jusqu'à présent, c'est que les bactéries marines semblent s'être très efficacement adaptées pour exploiter ces zones riches en nutriments et pour contrer, par la nage, une grande variété de conditions de turbulence dans l'océan, ce qui les rend particulièrement bien adaptées pour survivre dans un océan qui, de leur point de vue, est généralement un désert de nutriments, où les nutriments ne se présentent que sous forme de poches dispersées et très rares dans une colonne d'eau tridimensionnelle, tout en étant capables de nager, de lutter contre la turbulence et donc de suivre leurs sources alimentaires même lorsque l'eau autour d'elles est violemment agitée. L'initiative Earth System est une initiative très intéressante qui réunit des personnes issues de diverses disciplines, toutes désireuses de mieux comprendre le fonctionnement réel de notre planète. En résumé, l'objectif de l'initiative Earth System est d'essayer de faire pour la planète la même chose que ce que nous faisons déjà depuis longtemps.

Pour le corps humain qui cherche à comprendre son état de santé, comprendre l'état de santé de la planète est particulièrement important de nos jours en raison, par exemple, des préoccupations liées au réchauffement climatique et aux gaz à effet de serre ; plusieurs des initiatives menées dans le cadre du programme sur le système terrestre visent justement à mieux comprendre la santé de la planète. Notre travail s'inscrit dans cette démarche en étudiant une composante du cycle du carbone dans l'océan. Nous cherchons notamment à comprendre comment des organismes de petite taille, comme je l'ai mentionné précédemment, en particulier les bactéries nageuses, peuvent influencer ces cycles à grande échelle, ce qui a des répercussions sur le cycle global du carbone dans l'océan et, par conséquent, sur le cycle mondial du carbone, y compris dans l'atmosphère.

Tout notre travail jusqu'à présent dans ce domaine a été rendu possible, et même déclenché, par un progrès technologique clé : la microfluidique. Au cours des 10 dernières années, la microfluidique s'est développée en un outil particulièrement intéressant et innovant, notamment dans la région de Boston et Cambridge. L'initiateur de la technologie de microfluidique sous sa forme actuelle est le professeur George Whitesides, de l'université Harvard, qui a introduit le procédé de lithographie souple et l'utilisation du PDMS pour la fabrication de dispositifs microfluidiques.

Depuis lors, l'application de la microfluidique a connu une croissance exponentielle dans un large éventail de domaines. De l'ingénierie chimique aux sciences de la santé, nous avons commencé à l'appliquer à l'écologie microbienne afin de résoudre certains de ces problèmes à petite échelle dans l'océan liés à la nage des micro-organismes. En résumé, il est difficile, voire impossible, d'étudier directement ces processus dans l'océan en raison de leur échelle réduite et de la variabilité inhérente à l'océan ; nous ne sommes toujours pas capables de visualiser directement in situ dans l'océan des bactéries mesurant environ un micron. Par ailleurs, certaines personnes ont tenté de modéliser ces processus, par exemple de manière numérique ou théorique, mais, s'agissant de biologie, on doit nécessairement s'appuyer sur des hypothèses.

Par exemple, vous devrez formuler des hypothèses sur la stratégie de nage d'une bactérie ou sur la stratégie de chimiotaxie d'une bactérie, et des expériences réelles sont donc nécessaires pour faire progresser ce domaine. La microfluidique nous permet d'apporter de petites régions, de petites parties de l'océan, en laboratoire, tout en exposant simultanément les bactéries et les micro-organismes à des conditions environnementales réalistes, tant en termes de nutriments qu'en termes d'écoulements. En parallèle, grâce à la microscopie vidéo et au suivi cellulaire, nous pouvons étudier le comportement de bactéries individuelles de manière très contrôlée, ce qui nous permet d'avancer sur ces questions d'une façon qui n'aurait pas été possible il y a environ 10 ans, et tout cela est dû à des progrès technologiques, notamment les micro Verdicts.

Deux principaux défis se dressent, selon moi, devant nous dans ce domaine. Le premier, comme je l'ai mentionné précédemment, est de pouvoir un jour poser ces questions directement dans l'océan. La raison pour laquelle il est essentiel de se rendre sur l'océan est de capturer toute la variabilité inhérente à ces processus.

Par exemple, nous ignorons encore ce qui s'échappe réellement d'une particule en sédimentation, quels types de nutriments sont présents ou vers quels composés chimiques les bactéries se déplacent par chimiotaxie en laboratoire. Nous ne pouvons étudier que les conditions les plus simples parmi celles-ci, mais ce qui se produit réellement dans l'océan est un ensemble de processus complexes et très variables que nous devons finalement explorer directement en C deux. C'est un défi majeur du point de vue de l'échantillonnage, du point de vue de l'imagerie et du point de vue de l'analyse chimique et biologique à des échelles qui, comme je l'ai mentionné à plusieurs reprises, ne sont que de l'ordre de quelques micromètres et en termes de volumes de picolitres.

Le deuxième défi, que je considère plus facile à aborder, est la visualisation du comportement en trois dimensions. Tout ce que nous faisons actuellement en laboratoire est en deux dimensions. Nous utilisons la microscopie classique pour visualiser les trajectoires et l'accumulation de micro-organismes, mais nous plaçons de grands espoirs dans une technique appelée holographie numérique, qui devrait, dans un délai de trois à cinq ans, nous permettre de suivre ces phénomènes en trois dimensions et, par conséquent, de saisir de manière plus complète et plus réaliste l'écologie au cours des cinq prochaines années.

En plus de tenter d'adopter une approche tridimensionnelle de l'échantillonnage et éventuellement de faire les premiers pas naïfs vers l'échantillonnage d'éléments dans l'océan, nous souhaitons clairement relier ces études aux efforts en cours visant à comprendre la génomique de ces organismes. Un élan important, notamment dans le cadre de l'initiative sur le système terrestre, vise à mieux comprendre la composition génétique et la variabilité génétique de ces bactéries présentes sur le terrain. Parallèlement, la génomique ne parvient pas à établir directement un lien entre les découvertes et le comportement des organismes, et c'est précisément ce que nous espérons que la microfluidique et ces études plus comportementales, de type écologique classique, pourront apporter.

Nous disposons d'une excellente infrastructure et d'une équipe remarquable qui étudie la génomique des bactéries marines, et en collaborant avec eux, nous espérons pouvoir relier ces deux questions fondamentales afin de mieux comprendre quelles bactéries se trouvent dans l'océan et quel est leur rôle dans la détermination de la santé de l'océan et de la santé de la planète.