Comme les animaux, les bactéries se déplacent de manière autonome, en quête de meilleures conditions de vie. Elles utilisent leur énergie propre et orientent leur trajectoire en réponse à des stimuli externes. Ainsi les bactéries magnétotactiques sont-elles pourvues d'une chaîne de 15 à 20 cristaux magnétiques (magnétosome) qui les fait s'aligner passivement sur le champ magnétique terrestre et leur permet de dépenser moins d'énergie au cours de leur déplacement.
Jusqu'à présent, la motilité bactérienne était principalement étudiée en solution (souvent dans l'eau), ce qui ne rendait pas justice à la complexité de leur environnement naturel – le sédiment – composé de grains de sable de formes et dimensions variées. Comment les bactéries magnétotactiques adaptent-elles leur déplacement quand elles rencontrent ces obstacles ? Dans ce cas, quel rôle le champ magnétique terrestre tient-il ?
Des obstacles mimant des grains de sable
Pour en savoir plus, des chercheurs du BIAM et leurs collaborateurs ont simulé expérimentalement le déplacement de bactéries magnétotactiques dans un liquide contenant des cylindres de tailles différentes, mimant les grains de sable des sédiments dans lesquels vivent les bactéries.
Plus précisément, ils ont introduit 2000 bactéries dans un canal microfluidique reproduisant le sédiment et pendant 30 minutes, ils ont observé au microscope optique les mouvements individuels des bactéries soumises à un champ magnétique orienté dans la même direction que leur déplacement macroscopique. Certaines bactéries réussissent à parcourir le canal d'une extrémité à l'autre, tandis que d'autres restent bloquées par les cylindres, sans atteindre l'autre extrémité.
Les chercheurs ont également utilisé un modèle de mouvement brownien adapté à des particules « actives » dont le mouvement n'est pas entièrement aléatoire et peut être modifié par la présence d'obstacles et d'un champ magnétique.
- Le cheminement des bactéries observé dans le canal dépend à la fois de la géométrie des obstacles rencontrés (tailles et positions des cylindres) et de l'intensité du champ magnétique.
- Le modèle de particules actives permet de reproduire les trajectoires expérimentales et d'en déduire les paramètres importants.
Un champ magnétique optimal
De plus, expériences et simulations montrent que les bactéries sont plus performantes quand elles sont soumises à un champ voisin du champ magnétique terrestre. En effet, un champ plus fort favorise le blocage des bactéries par les obstacles, tandis qu'un champ plus faible conduit à une orientation bactérienne purement aléatoire, qui diminue l'efficacité de leur déplacement.
L'équipe de recherche prévoit désormais d'ajouter des gradients chimiques et des flux dans les canaux microfluidiques afin de reproduire encore plus fidèlement les conditions naturelles des sédiments. « Cette approche pourrait ouvrir de nouvelles voies de recherche sur la motilité des micro-organismes dans les environnements complexes, et peut-être inspirer des applications dans la bioremédiation ou le développement de microrobots autonomes, en vue d'interventions médicales très ciblées », projette déjà Damien Faivre, chercheur au BIAM.