BIOFILMS: CARACTÉRISTIQUES, FORMATION, TYPES ET EXEMPLES - LA BIOLOGIE - 2025

Les biofilms ou biofilms sont des communautés de microorganismes attachés à une surface, vivant dans une matrice de substances polymériques extracellulaires auto - générées. Ils ont été initialement décrits par Antoine von Leeuwenhoek, lorsqu'il a examiné les "animalcules" (ainsi nommés pour lui), sur une plaque de matériau de ses propres dents au 17ème siècle.

La théorie qui conceptualise les biofilms et décrit leur processus de formation n'a été développée qu'en 1978. On a découvert que la capacité des micro-organismes à former des biofilms semble être universelle.

Figure 1. Biofilm produit par Staphylococcus aureus dans un cathéter. Source: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D.; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. via

Les biofilms peuvent exister dans des environnements aussi variés que les systèmes naturels, les aqueducs, les réservoirs de stockage d'eau, les systèmes industriels, ainsi que dans une grande variété de supports tels que les dispositifs médicaux et les dispositifs destinés aux patients hospitalisés (comme les cathéters, par exemple).

Grâce à l'utilisation de la microscopie électronique à balayage et de la microscopie laser confocale à balayage, il a été découvert que les biofilms ne sont pas des dépôts homogènes et non structurés de cellules et de limon accumulé, mais plutôt des structures hétérogènes complexes.

Les biofilms sont des communautés complexes de cellules associées sur une surface, noyées dans une matrice polymère hautement hydratée dont l'eau circule à travers des canaux ouverts dans la structure.

De nombreux organismes qui ont réussi à survivre pendant des millions d'années dans l'environnement, par exemple les espèces des genres Pseudomonas et Legionella, utilisent la stratégie du biofilm dans des environnements autres que leurs environnements d'origine.

Caractéristiques des biofilms

Caractéristiques chimiques et physiques de la matrice de biofilm

-Les substances extracellulaires polymères sécrétées par les micro-organismes du biofilm, les macromolécules de polysaccharides, les protéines, les acides nucléiques, les lipides et autres biopolymères, principalement des molécules hautement hydrophiles, se croisent pour former une structure tridimensionnelle appelée matrice de biofilm.

-La structure de la matrice est hautement viscoélastique, possède des propriétés de caoutchouc, résiste à la traction et à la rupture mécanique.

-La matrice a la capacité d'adhérer aux surfaces d'interface, y compris les espaces internes des milieux poreux, grâce à des polysaccharides extracellulaires qui agissent comme des gencives adhérentes.

-La matrice polymérique est majoritairement anionique et comprend également des substances inorganiques telles que des cations métalliques.

-Il a des canaux d'eau à travers lesquels circulent l'oxygène, les nutriments et les déchets qui peuvent être recyclés.

-Cette matrice du biofilm fonctionne comme un moyen de protection et de survie contre les environnements défavorables, une barrière contre les envahisseurs phagocytaires et contre l'entrée et la diffusion de désinfectants et d'antibiotiques.

Caractéristiques écophysiologiques des biofilms

-La formation de la matrice en gradients non homogènes, produit une variété de microhabitats, ce qui permet à la biodiversité d'exister au sein du biofilm.

-Dans la matrice, la forme de vie cellulaire est radicalement différente de la vie libre, non associée. Les microorganismes du biofilm sont immobilisés, très proches les uns des autres, associés en colonies; ce fait permet des interactions intenses.

-Les interactions entre les micro-organismes du biofilm incluent la communication par signaux chimiques dans un code appelé «quorum sensing».

-Il existe d'autres interactions importantes telles que le transfert de gènes et la formation de micro-consortiums synergiques.

-Le phénotype du biofilm peut être décrit en termes de gènes exprimés par les cellules associées. Ce phénotype est modifié en ce qui concerne la vitesse de croissance et la transcription génique.

-Les organismes du biofilm peuvent transcrire des gènes qui ne transcrivent pas leurs formes de vie planctoniques ou libres.

-Le processus de formation du biofilm est régulé par des gènes spécifiques, transcrits lors de l'adhésion cellulaire initiale.

-Dans l'espace confiné de la matrice, il existe des mécanismes de coopération et de compétition. La compétition génère une adaptation constante des populations biologiques.

-Un système digestif externe collectif est généré, qui retient les enzymes extracellulaires à proximité des cellules.

-Ce système enzymatique permet de séquestrer, accumuler et métaboliser les nutriments dissous, colloïdaux et / ou en suspension.

-La matrice fonctionne comme une zone de recyclage externe commune, stockage des composants des cellules lysées, servant également d'archive génétique collective.

-Le biofilm fonctionne comme une barrière structurelle protectrice contre les changements environnementaux tels que la dessiccation, l'action des biocides, les antibiotiques, les réponses immunitaires de l'hôte, les agents oxydants, les cations métalliques, le rayonnement ultraviolet et constitue également une défense contre de nombreux prédateurs tels que les protozoaires phagocytaires et les insectes.

-La matrice du biofilm constitue un environnement écologique unique pour les micro-organismes, ce qui permet un mode de vie dynamique pour la communauté biologique. Les biofilms sont de véritables microécosystèmes.

Formation de biofilm

La formation de biofilm est un processus dans lequel les micro-organismes passent d'un état unicellulaire nomade et libre à un état sédentaire multicellulaire, où la croissance ultérieure produit des communautés structurées avec différenciation cellulaire.

Le développement du biofilm se produit en réponse à des signaux environnementaux extracellulaires et à des signaux auto-générés.

Les chercheurs qui ont étudié les biofilms s'accordent à dire qu'il est possible de construire un modèle hypothétique généralisé pour expliquer leur formation.

Ce modèle de formation de biofilm se compose de 5 étapes:

1. Adhésion initiale à la surface.
2. Formation d'une monocouche.
3. Migration pour former des microcolonies multicouches.
4. Production de la matrice extracellulaire polymérique.
5. Maturation du biofilm tridimensionnel.

Figure 2. Processus de formation d'un biofilm. Source: D. Davis, via Wikimedia Commons

Adhésion initiale à la surface

La formation du biofilm commence par l'adhésion initiale des micro-organismes à la surface solide, où ils sont immobilisés. Il a été découvert que les micro-organismes possèdent des capteurs de surface et que les protéines de surface sont impliquées dans la formation de la matrice.

Chez les organismes non mobiles, lorsque les conditions environnementales sont favorables, la production d'adhésines sur leur surface externe augmente. De cette manière, il augmente sa capacité d'adhésion cellule-cellule et surface cellulaire.

Dans le cas des espèces mobiles, les microorganismes individuels sont localisés sur une surface et c'est le point de départ vers un changement radical de leur mode de vie de mobile libre nomade, sédentaire, presque sessile.

La capacité de mouvement est donc perdue dans la formation de la matrice, différentes structures telles que les flagelles, les cils, les pilus et les fimbria participent, en plus des substances adhésives.

Ensuite, dans les deux cas (micro-organismes mobiles et non mobiles), de petits agrégats ou microcolonies se forment et un contact cellule-cellule plus intense est généré; des changements phénotypiques adaptatifs au nouvel environnement se produisent dans des cellules groupées.

Formation d'une monocouche et de microcolonies en multicouches

La production de substances polymères extracellulaires commence, la formation initiale en monocouche se produit et le développement ultérieur en multicouche.

Production de la matrice extracellulaire polymérique et maturation du biofilm tridimensionnel

Enfin, le biofilm atteint son stade de maturité, avec une architecture tridimensionnelle et la présence de canaux par lesquels circulent l'eau, les nutriments, les produits chimiques de communication et les acides nucléiques.

La matrice de biofilm retient les cellules et les maintient ensemble, favorisant un degré élevé d'interaction avec la communication intercellulaire et la formation de consortiums synergiques. Les cellules du biofilm ne sont pas complètement immobilisées, elles peuvent se déplacer à l'intérieur et se détacher également.

Types de biofilms

Nombre d'espèces

Selon le nombre d'espèces participant au biofilm, celui-ci peut être classé en:

• Biofilms d'une espèce. Par exemple, les biofilms formés par Streptococcus mutans ou Vellionela parvula.
• Biofilms de deux espèces. Par exemple, l'association de Streptococcus mutans et Vellionella parvula dans les biofilms a également été découverte.
• Biofilms polymicrobiens, composés de nombreuses espèces. Par exemple, la plaque dentaire.

Environnement de formation

En fonction également de l'environnement dans lequel ils se forment, les biofilms peuvent être:

• Naturel
• Industriel
• National
• Hospitalier

Figure 3. Biofilms de bactéries thermophiles à Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Source: Amateria1121, de Wikimedia Commons

Type d'interface où ils sont générés

En revanche, selon le type d'interface où ils sont formés, il est possible de les classer en:

• Les biofilms d'interface solide-liquide, tels que ceux formés dans les aqueducs et les réservoirs, les tuyaux et les réservoirs d'eau en général.
• Biofilms d' interface solide-gaz (SAB pour son acronyme en anglais Sub Aereal Biofilms); qui sont des communautés microbiennes qui se développent sur des surfaces minérales solides, directement exposées à l'atmosphère et au rayonnement solaire. On les trouve dans les bâtiments, les rochers nus du désert, les montagnes, entre autres.

Exemples de biofilms

-La plaque dentaire

La plaque dentaire a été étudiée comme un exemple intéressant d'une communauté complexe qui vit dans les biofilms. Les biofilms des plaques dentaires sont durs et non élastiques, du fait de la présence de sels inorganiques, qui confèrent de la rigidité à la matrice polymérique.

Les microorganismes de la plaque dentaire sont très variés et il existe entre 200 à 300 espèces associées dans le biofilm.

Parmi ces micro-organismes, on trouve:

• Le genre Streptococcus; composé de bactéries aciduriques qui déminéralisent l'émail et la dentine et déclenchent la carie dentaire. Par exemple, les espèces: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis et S. milleri.
• Le genre Lactobacillus, constitué de bactéries acidophiles dénaturant les protéines dentinaires. Par exemple, les espèces: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
• Le genre Actinomyces, qui sont des microorganismes aciduriques et protéolytiques. Parmi celles-ci, les espèces: viscosus, A. odontoliticus et A. naeslundii.
• Et d'autres genres, tels que: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis et Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Biofilms dans l'eau noire

Un autre exemple intéressant est celui des eaux usées domestiques, où les microorganismes nitrifiants oxydant l'ammonium, les nitrites et les bactéries nitrifiantes autotrophes vivent dans des biofilms attachés aux tuyaux.

Parmi les bactéries oxydant l'ammonium de ces biofilms, les espèces numériquement dominantes sont celles du genre Nitrosomonas, réparties dans toute la matrice du biofilm.

Les composants majoritaires du groupe des oxydants de nitrite sont ceux du genre Nitrospira, qui sont situés uniquement dans la partie interne du biofilm.

- Biofilms Subaerie

Les biofilms Subaerie sont caractérisés par une croissance inégale sur des surfaces minérales solides telles que les roches et les bâtiments urbains. Ces biofilms présentent des associations dominantes de champignons, d'algues, de cyanobactéries, de bactéries hétérotrophes, de protozoaires, ainsi que d'animaux microscopiques.

En particulier, les biofilms SAB possèdent des microorganismes chimiolytotrophes, capables d'utiliser des produits chimiques minéraux inorganiques comme sources d'énergie.

Les microorganismes chimolithotrophes ont la capacité d'oxyder des composés inorganiques tels que H ₂, NH ₃, NO ₂, S, HS, Fe ²⁺ et de tirer parti de l'énergie potentielle électrique produite par les oxydations dans leurs métabolismes.

Parmi les espèces microbiennes présentes dans les biofilms subaériens, on trouve:

• Bactéries du genre Geodermatophilus; cyanobactéries des genres C hrococcoccidiopsis, espèces coccoïdes et filamenteuses telles que Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
• Algues vertes des genres Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia et Stichococcus.
• Bactéries hétérotrophes (dominantes dans les biofilms subaériens): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. et Rhodococcus sp.
• Bactéries et champignons chimio-organotrophes tels que Actynomycetales (streptomycètes et Geodermatophilaceae), Protéobactéries, Actinobactéries, Acidobactéries et Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio films d'agents responsables de maladies humaines

De nombreuses bactéries connues comme agents responsables de maladies humaines vivent dans des biofilms. Parmi ceux-ci figurent: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans et Legionella pneumophyla.

-Peste pubienne

La transmission de la peste bubonique par piqûre de puce, une adaptation relativement récente de l'agent bactérien responsable de cette maladie, Yersinia pestis, est intéressante.

Cette bactérie se développe comme un biofilm attaché au système digestif supérieur du vecteur (la puce). Lors d'une morsure, la puce régurgite le biofilm contenant Yersinia pestis dans le derme, déclenchant ainsi l'infection.

-Cathéters veineux hospitaliers

Les organismes isolés du biofilm sur des cathéters veineux centraux explantés comprennent une gamme étonnante de bactéries Gram-positives et Gram-négatives, ainsi que d'autres micro-organismes.

Plusieurs études scientifiques font état de bactéries Gram-positives de biofilms dans des cathéters veineux: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. et Streptococcus pneumoniae.

Parmi les bactéries Gram-négatives isolées à partir de ces biofilms, on rapporte: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Pseudomonas putppida spp.. et Serratia marcescens.

D'autres organismes trouvés dans ces biofilms sont: Candida spp., Candida albicans, Candida tropicalis et Mycobacterium chelonei.

-Dans l'industrie

Concernant le fonctionnement de l'industrie, les biofilms génèrent des obstructions de tuyauterie, des dommages matériels, des interférences dans les processus tels que les transferts de chaleur lors du recouvrement des surfaces des échangeurs, ou la corrosion des pièces métalliques.

Industrie alimentaire

La formation de films dans l'industrie alimentaire peut créer d'importants problèmes de santé publique et de fonctionnement.

Les agents pathogènes associés dans les biofilms peuvent contaminer les produits alimentaires avec des bactéries pathogènes et causer de graves problèmes de santé publique aux consommateurs.

Parmi les biofilms d'agents pathogènes associés à l'industrie alimentaire, on trouve:

Listeria monocytogenes

Ce pathogène utilise au stade initial de la formation du biofilm, des flagelles et des protéines membranaires. Forme des biofilms sur les surfaces en acier des trancheuses.

Dans l'industrie laitière, les biofilms de Listeria monocytogenes peuvent être produits dans le lait de consommation et les produits laitiers. Les résidus laitiers dans les tuyaux, les réservoirs, les conteneurs et autres appareils favorisent le développement de biofilms de ce pathogène qui les utilise comme nutriments disponibles.

Pseudomonas

Les biofilms de ces bactéries peuvent être trouvés dans les installations de l'industrie alimentaire, telles que les planchers, les drains et sur les surfaces alimentaires telles que les viandes, les légumes et les fruits, ainsi que les dérivés du lait à faible teneur en acide.

Pseudomonas aeruginosa sécrète plusieurs substances extracellulaires qui sont utilisées dans la formation de la matrice polymère du biofilm, adhérant à une grande quantité de matériaux inorganiques tels que l'acier inoxydable.

Les pseudomonas peuvent coexister dans le biofilm en association avec d'autres bactéries pathogènes telles que Salmonella et Listeria.

Salmonella

Les espèces de Salmonella sont le premier agent causal des zoonoses d'étiologie bactérienne et des épidémies d'intoxication alimentaire.

Des études scientifiques ont montré que Salmonella peut adhérer sous forme de biofilms aux surfaces de béton, d'acier et de plastique dans les usines de transformation des aliments.

Les espèces de Salmonella possèdent des structures de surface avec des propriétés adhérentes. De plus, il produit de la cellulose en tant que substance extracellulaire, qui est le composant principal de la matrice polymère.

Escherichia coli

Il utilise des flagelles et des protéines membranaires dans l'étape initiale de formation du biofilm. Il produit également de la cellulose extracellulaire pour générer le cadre tridimensionnel de la matrice dans le biofilm.

Résistance des biofilms aux désinfectants, germicides et antibiotiques

Les biofilms offrent une protection aux microorganismes qui le composent, à l'action des désinfectants, des germicides et des antibiotiques. Les mécanismes qui permettent cette fonctionnalité sont les suivants:

• Pénétration retardée de l'agent antimicrobien à travers la matrice tridimensionnelle du biofilm, en raison d'une diffusion très lente et de la difficulté à atteindre la concentration efficace.
• Modification du taux de croissance et faible métabolisme des micro-organismes dans le biofilm.
• Modifications des réponses physiologiques des micro-organismes pendant la croissance du biofilm, avec modification de l'expression des gènes de résistance.

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