Un biofilm est une population de bactéries, d'algues, de levures ou de champignons qui se développe attachée à une surface. La surface peut être vivante ou non vivante. Des exemples de surfaces vivantes où les biofilms peuvent se développer comprennent les dents, les gencives et les cellules qui tapissent les voies intestinales et vaginales. Des exemples de surfaces non vivantes comprennent les roches dans les cours d'eau et les dispositifs médicaux implantés tels que les cathéters.
La connaissance rudimentaire de la présence de biofilms est connue depuis des siècles. Par exemple, la bactérie Acetobacter aceti attaché à des copeaux de bois est utilisé pour la fabrication du vinaigre depuis le XIXe siècle. Malgré cette histoire, les biofilms étaient davantage considérés comme une curiosité jusque dans les années 1980. En effet, une grande partie de ce que l'on sait sur les micro-organismes et sur des domaines spécifiques tels que la résistance bactérienne aux antibiotiques a résulté de l'utilisation de bactéries se développant en populations flottantes (planctoniques) dans des sources de croissance liquides.
À partir des années 1980, des preuves se sont accumulées qui ont conduit à la reconnaissance que la forme flottante de croissance bactérienne est artificielle et que la forme de biofilm de croissance est le mode de croissance naturel et préféré des microbes. Maintenant, il est admis que pratiquement chaque surface qui entre en contact avec des micro-organismes est capable de soutenir la formation de biofilm.
Une grande partie de ce que l'on sait sur les biofilms provient de l'étude des bactéries. Typiquement, le biofilm étudié en laboratoire est constitué d'un seul type bactérien. L'observation d'une seule bactérie en croissance facilite l'étude de la formation et du comportement du biofilm. Dans un environnement naturel, cependant, un biofilm est souvent composé d'une variété de bactéries. La plaque dentaire en est un bon exemple. Des centaines d'espèces de bactéries peuvent être présentes dans le biofilm qui se forme à la surface des dents et des gencives.
La formation d'un biofilm commence lorsque des bactéries flottantes rencontrent une surface. L'attachement peut se produire de manière non spécifique ou spécifique. L'attachement spécifique implique la reconnaissance d'une molécule de surface par une autre molécule à la surface du micro-organisme. L'attachement bactérien peut être facilité par des appendices tels que les flagelles, les cils ou le holdfast de Caulobacter crescentus.
L'attachement est suivi d'une association plus durable avec la surface. Pour les bactéries, cette association implique des changements structurels et génétiques. Les gènes sont exprimés après l'attachement à la surface. Un résultat particulièrement distinctif de cette activité génétique préférentielle est la production d'une grande quantité d'un matériau sucré appelé glycocalyx ou exopolysac-charide. La couche de sucre enterre la population bactérienne, créant le biofilm.
Au fil du temps, un biofilm peut devenir plus épais. Un biofilm plus ancien et plus mature diffère d'un biofilm plus jeune. Des études utilisant des instruments qui peuvent sonder un biofilm sans perturber physiquement sa structure ont démontré que les bactéries plus profondes dans un biofilm cessent de produire l'expopolysaccharide et ralentissent leur taux de croissance pour devenir presque dormantes. En revanche, les bactéries au bord du biofilm se développent plus rapidement et produisent de grandes quantités d'exopolysaccharide. Ces activités se déroulent en même temps et sont effectivement coordonnées. Les bactéries peuvent communiquer chimiquement entre elles. Ce phénomène, appelé quorum sensing, permet à un biofilm de se développer et encourage les bactéries à quitter un biofilm et à former de nouveaux biofilms ailleurs.
Une autre différence dans les biofilms qui se développent au fil du temps concerne leur structure tridimensionnelle. Un jeune biofilm a une structure assez uniforme, les bactéries étant réparties uniformément dans tout le biofilm. En revanche, un biofilm bien établi est constitué de bactéries regroupées dans des microcolonies, avec des régions environnantes d'exopolysaccharide et des canaux d'eau ouverts qui permettent aux aliments d'atteindre facilement les bactéries et les déchets de sortir facilement du biofilm.
Les biofilms bactériens sont importants dans l'établissement et le traitement des infections. Dans le biofilm, les bactéries sont très résistantes aux produits chimiques comme les antibiotiques qui, autrement, tueraient les bactéries. Les biofilms résistants aux antibiotiques se produisent sur des surfaces inertes telles que les valves cardiaques artificielles et les cathéters urinaires, et sur les surfaces vivantes, telles que les calculs biliaires et dans les poumons des personnes atteintes de fibrose kystique. Dans la fibrose kystique, le biofilm formé par les bactéries, principalement Pseudomonas aeruginosa, protège les bactéries du système immunitaire de l'hôte. La réponse immunitaire peut persister pendant des années, ce qui irrite et endommage le tissu pulmonaire.
La recherche a établi que l'intérieur d'un biofilm bactérien implique une communication chimique entre les bactéries individuelles qui aide à coordonner le développement du biofilm et la desquamation des bactéries périphériques, qui se déposent sur des surfaces plus éloignées pour former un nouveau biofilm. La connaissance de ces signaux chimiques peut aider à retarder ou même à empêcher la formation de biofilms dans la fibrose kystique et d'autres maladies et infections.
Ressources
Livres
Ghannoum, Mahmoud et George A. O'Toole. Biofilms microbiens. Washington, DC: ASM Press, 2004.
Pace, John L., Mark Rupp et Roger G. Finch. Biofilms, infection et thérapie antimicrobienne. Boca Raton: CRC, 2005.
Wilson, Michael et Deirdre Devine. Implications médicales des biofilms. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.