Les microbes sont des créatures sociales.
Tout comme les humains, ils communiquent et coopèrent les uns avec les autres pour résoudre des problèmes plus grands qu’eux. Dans une communauté microbienne, il y aura même des resquilleurs et d’autres qui les surveillent.
Et si les chercheurs pouvaient influencer leur développement social pour promouvoir certains comportements ? Cela peut être crucial pour résoudre de nombreux défis actuels, tels que la lutte contre les infections et la résistance aux antibiotiques, le développement de stratégies microbiennes pour le traitement des eaux usées ou l’utilisation de sources d’énergie alternatives.
Un groupe de recherche dirigé par Dervis Can Vural, professeur agrégé au Département de physique et d’astronomie de l’Université de Notre Dame, a étudié comment le développement social des microbes peut être manipulé en ajustant les paramètres physiques de l’environnement dans lequel ils vivent. Les résultats ont été récemment publiés dans Journal biophysique.
“La dynamique des fluides change tout”, a déclaré Vural. « Nous voulions savoir si nous pouvions manipuler la structure sociale des communautés microbiennes. D’après nos modèles, la réponse est « oui ».
Les micro-organismes communiquent et coopèrent en utilisant diverses sécrétions coûteuses à produire mais qui apportent des bénéfices à l’ensemble de la communauté. Ces produits sont appelés « biens publics ». Par exemple, ils peuvent sécréter des enzymes digestives qui décomposent ensuite la nourriture qui les entoure, ce qui profite à tout le monde.
Ensuite, il y a les escrocs. Ces resquilleurs ne contribuent pas autant au pool de biens publics, mais ils bénéficient néanmoins des contributions des autres – et nuisent au système.
“Les fraudeurs accordent plus de valeur à leur propre succès qu’à celui de la communauté”, a expliqué Vural. « Parce qu’ils contribuent moins aux biens publics, ils peuvent consacrer plus de ressources à leur auto-reproduction. Ils se reproduisent donc plus rapidement que les autres et finiront par dominer la population. La fraude se propage et on voit très peu de microbes faire le travail – et si personne ne fait le travail, la population entière s’effondre. »
À l’aide de modèles informatiques physiquement et biologiquement réalistes, les chercheurs ont voulu comprendre comment la structure d’interaction peut être contrôlée pour « exploiter tout le potentiel des populations microbiennes », écrivent-ils dans l’étude.
L’écoulement des fluides crée des forces de cisaillement, un type de mouvement qui sépare les amas microbiens et conduit à leur fragmentation. “Lorsque les clusters se fragmentent plus souvent que les mutants frauduleux n’apparaissent, la coopération prévaut”, a déclaré Vural. “Ainsi, en contrôlant le modèle de flux, nous pouvons contrôler le modèle de collaboration.”
L’équipe de Vural a étudié plusieurs façons de contrôler le développement du comportement social, notamment en appliquant différents modèles de flux à travers différentes chambres, entonnoirs, microcanaux, filtres et produits chimiques, et dans certains cas par impulsions périodiques. Certains modèles ont été conçus pour créer un vortex qui, grâce à son motif de cisaillement, localisait les coopérateurs au sein d’un anneau et poussait les tricheurs vers le bord extérieur de l’environnement, localisant essentiellement la coopération.
“Vous pouvez amener les microbes à coopérer dans un environnement, mais nulle part ailleurs”, a expliqué Vural. « Vous pouvez promouvoir un comportement coopératif afin que des fraudeurs n’apparaissent pas et ne menacent pas la population. Ils peuvent faire le contraire : encourager les fraudeurs à tuer une population de micro-organismes s’ils le souhaitent. Et vous pouvez tout faire entre les deux. Vous pouvez affiner le niveau de collaboration.
L’approche de Vural ne tente pas d’inhiber la capacité des microbes à sécréter ou à gaspiller un bien public ou à agir comme des tricheurs. Elle crée plutôt un environnement qui fait évoluer les micro-organismes d’une manière ou d’une autre. “Nous ne traitons pas avec des individus”, a-t-il déclaré. “Nous faisons évoluer une population entière en ajustant la physique pour encourager la triche ou la collaboration.”
L’étude est la dernière recherche de Vural sur le potentiel d’évolution sociale technologique dans les environnements microfluidiques. « Traduire ces idées en réalité expérimentale sera une entreprise complexe », a-t-il admis, affirmant que cela nécessiterait un dispositif très perfectionné équipé de tubes microscopiques, de filtres et de chambres à circulation. Cependant, il a déclaré que les résultats sont très prometteurs et motivent « l’ingénierie évolutionniste » en tant que nouveau domaine de recherche.
“Notre travail est généralement motivé par des théories, mais dans ce cas-ci, nous étions motivés par la possibilité très réelle de manipuler l’évolution sociale”, a déclaré Vural. “Les expériences seront compliquées, mais il existe un grand potentiel d’application pratique.”
Les simulations ont été menées par Gurdip Uppal, étudiant de Vural, maintenant à la Harvard Medical School.