CRÉATION DU PNIR

L
Le grand public découvre
peu à peu les biofilms par
leurs implications néga-
tives : infections nosoco-
miales, contaminations
des produits alimentaires, proliféra-
tion de Legionnella… Les industriels
ont déjà identifié depuis longtemps
les nuisances que les biofilms indui-
sent dans de multiples secteurs tels
que transports maritimes, activités
portuaires, pétrochimie agroalimen-
taire ou distribution d’eau… La maî-
trise des biofilms a généralement
recours à des solutions globales
pragmatiques, mais souvent peu
pertinentes, coûteuses et dans cer-
tains cas polluantes… L’exigence
croissante de la société en termes
d’hygiène publique et de santé, les
normes de plus en plus drastiques
de lutte contre la pollution et la re-
cherche de solutions durables, im-
posent maintenant de déchiffrer le
fonctionnement intime des biofilms
en jetant les bases d’un nouveau
type de microbiologie : la « micro-
biologie des surfaces ».
À l’invitation du CNRS, 14 universi-
tés et 2 autres organismes de re-
cherche ont décidé de fédérer leurs
compétences et leurs efforts sur
cette thématique en créant le pôle
de recherche national à implanta-
tion régionale « PNIR-Biofilms » (voir
l’encart 1). Acte de naissance d’un
espace interdisciplinaire totalement
dédié à l’étude des bio-
films, la convention de
création de ce pôle vient
d’être signée en janvier
2005. Cet article propose
une brève présentation des
biofilms, des implications
sociétales et économiques,
du défi scientifique qu’ils
représentent, puis la des-
cription des vocations du
PNIR et de son mode de
fonctionnement : un nou-
vel outil de management
scientifique pour relever le
défi de l’interdisciplinarité !
Qu’est-ce qu’un
biofilm ?
Toute surface plongée dans
un milieu humide non stérile se
recouvre d’un biofilm.
Les biofilms sont le résultat de
l’adhésion puis du développement
de micro-organismes sur toutes les
surfaces ou interfaces exposées à
des environnements humides et non
stériles. Les micro-organismes se
fixent et synthétisent des polymères
(polysaccharides, protéines…) qui
leur permettent de former un film de
quelques micromètres à quelques
millimètres d’épaisseur, où ils génè-
rent les conditions favorables à
leur activité et s’organisent en micro-
colonies. En dehors de quelques
milieux très spécifiques, les biofilms
apparaissent donc à plus ou moins
long terme sur la plupart des sur-
faces. Ils se caractérisent par de
fortes hétérogénéités spatiales et
par des conditions internes très dif-
férentes de celles du milieu environ-
nant. Les caractéristiques des micro-
organismes sessiles (i.e. qui se
développent au sein d’un biofilm)
deviennent généralement différentes
de celles des micro-organismes
planctoniques (i.e. qui se dévelop-
pent en solution). Les biofilms sont
donc des micro-environnements
totalement différents du milieu envi-
ronnant, caractérisés par de forts
gradients physiques et chimiques,
qui obéissent à une organisation
interne complexe.
14
La revue trimestrielle du réseau Ecrin - n°60 - mai 2005
Dossier
CRÉA
CRÉATION DU PNIR-BIOFILMS TION DU PNIR-BIOFILMS
Sous l’égide du CNRS, 16 universités et organismes de recherche
Sous l’égide du CNRS, 16 universités et organismes de recherche
se fédèrent pour déchiffrer la «
se fédèrent pour déchiffrer la « microbiologie des surfaces microbiologie des surfaces ». ».
Bactérie adhérée.
©
LMG UMR 5122, Villeurbanne

Développer la « vraie »
microbiologie ?
Il a fallu attendre plus de cent ans
après l’initiation de la microbiologie
à la fin du XIXesiècle, pour s’aper-
cevoir que la croissance en biofilm
est en fait le mode naturel de crois-
sance de tous les micro-organismes.
Il est maintenant généralement
considéré qu’en environnement
naturel, un micro-organisme en so-
lution est un micro-organisme qui
« cherche » une surface pour se fixer.
Les biofilms sont ubiquitaires, ils
colonisent les sols, les rivières, les
racines et les feuilles des végétaux,
les organismes vivants supérieurs y
compris l’espèce humaine, et jouent
des fonctions biologiques et phy-
siologiques primordiales. Ils sont des
agents géochimiques importants
dans les environnements de surface,
en participant aux transformations
et flux de matière aux interfaces
liquide-solide et à la formation ou
à l'altération des minéraux.
Des implications sociétales et
économiques multiples
Les biofilms sont exploités dans
quelques procédés industriels. Leur
capacité à dégrader le support sur
lequel ils se développent est mise à
profit dans les procédés de biolixi-
viation, qui utilisent l’attaque micro-
bienne des minéraux pour mettre en
solution les ions souhaités. Le trai-
tement des eaux et la dépollution
des effluents aqueux développent
également quelques procédés basés
15
La revue trimestrielle du réseau Ecrin - n°60 - mai 2005
Création du PNIR-Biofilms
Encart 1 : les laboratoires partenaires du PNIR-Biofilms
UMR CNRS 5122, UCBL, INSAL - Microbiologie et génétique, LMG - Villeurbanne
UMR CNRS 5177, UPS - Laboratoire d'écologie des hydrosystèmes - LEH - Toulouse
UMR CNRS 5502, INPT, UPS - Institut de mécanique des fluides - IMFT - Toulouse
UMR CNRS 5503, INPT, UPS - Laboratoire de génie chimique - LGC - Toulouse
UMR CNRS 5504, INSAT - Laboratoire de biotechnologie et bioprocédés - LBB - Toulouse
UMR CNRS 5557, UCB - Écologie microbienne - EM - Lyon
UMR CNRS 5563, UPS - Laboratoire des mécanismes de transfert en géologie - LMTG - Toulouse
UMR CNRS 6008, UP - Laboratoire de chimie de l'eau et de l'environnement - LCEE - Poitiers
UMR CNRS 6191, CEA, UMAM2 - Biologie cellulaire et moléculaire des plantes et des bactéries - BCMPB -
Saint Paul les Durance
UMR CNRS 6522, UR, INSAR - Polymères, biopolymères, membranes - PBM - Rouen
UMR CNRS 6600, UTC - Biomécanique et génie biomédical - BIM - Compiègne
UMR CNRS 6635, UPCAM - Centre européen de recherche et d'enseignement de géosciences de l'envi-
ronnement - CEREGE - Aix-en-Provence
UMR CNRS 7045, ENSCP - Laboratoire de physico-chimie des surfaces - LPCS - Paris
UMR CNRS 7564, UHP - Laboratoire de chimie physique et microbiologie pour l'environnement - LCPME -
Villers-lès-Nancy
UMR CNRS 7569, INPL - Laboratoire environnement et minéralurgie - LEM - Vandoeuvre les Nancy
UPR CNRS 15 - Laboratoire interfaces et systèmes électrochimiques - LISE - Paris
UPR CNRS 3361 - Laboratoire de photophysique moléculaire - LPPM - Orsay
UPR CNRS 9027 - Laboratoire d'ingénierie des systèmes macromoléculaires - LISM - Marseille
URA CNRS 2172, IP - Génétique et biochimie des microorganismes - GBM - Paris
Image en microscopie électronique à balayage (UBHM, Inra Massy) d'un biofilm de Stenotrophomonas
maltophilia ; zone quasi-homogène (photo de gauche) et structure en champignon (photo de droite) –
Le LPPM (UPR 3361, Orsay) utilise la microspectroscopie de corrélation de fluorescence sous
excitation à deux photons, pour étudier in vivo la diffusion moléculaire d’agents antimicrobiens
(antibiotiques, désinfectants) et de substances infectieuses (virus bactériophages).

sur les biofilms. Toutefois les procé-
dés à « biofilms positifs » sont encore
peu nombreux eu égard aux impli-
cations des biofilms dans les pro-
cessus naturels.
Au contraire, les biofilms sont iden-
tifiés comme la source récurrente
de lourds problèmes sociétaux et
industriels. Il est maintenant banal de
rappeler que les biofilms modifient
les propriétés de surface des maté-
riaux sur lesquels ils se développent,
entraînant par exemple une dé-
croissance de 20 à 30% de la ca-
pacité de transfert thermique des
échangeurs de chaleur industriels.
Au coût direct des pertes énergé-
tiques, il faut ajouter le coût des bio-
cides utilisés massivement pour lut-
ter contre la formation des biofilms.
L’expérience récente réalisée sur une
centrale de production électrique de
Enel (Venise) montre que l’introduc-
tion d’un capteur à biofilm permet-
tant d’optimiser l’injection de bio-
cides conduit à une économie
d’environ 100 k euros par an sur une
seule unité.
L’industrie navale lutte contre les
biosalissures par des revêtements
anti-fouling, souvent toxiques et à
la source de graves pollutions por-
tuaires. Les normes européennes
deviennent de plus en plus sévères
et exigent le recours à des solutions
alternatives qui sont en grande par-
tie encore à développer.
Les biofilms peuvent en
outre induire de sévères
phénomènes de dégra-
dation / corrosion sur
les matériaux qui leurs
servent de support (po-
lymères, bétons, maté-
riaux métalliques…).
L’industrie pétrolière
(puits d’extraction,
plates-formes…), les
installations portuaires
maritimes et fluviales,
les centrales de pro-
duction d’électricité,
ou même l’industrie
aérospatiale (des cas
de corrosion microbienne ont été
identifiés dans des réservoirs de ké-
rosène) sont parmi les nombreux
secteurs industriels concernés par la
biocorrosion. Le coût global de la
corrosion est évalué à environ 4% du
PNB des pays industrialisés (28 mil-
liards d’euros pour la France), et il
est admis que la biocorrosion est à
l’origine de 10% de ces coûts.
Dans l’agroalimentaire, la qualité hy-
giénique des aliments est un para-
mètre essentiel qui requiert la maî-
trise microbiologique des surfaces et
des équipements. Dans certains cas,
les procédures de nettoyage et de
désinfection s’avèrent limitées, et
une contamination microbienne peut
subsister sous forme de biofilm.
Cette flore résiduelle peut entraîner
de sévères problèmes de santé pu-
blique lorsqu’elle contient des micro-
organismes pathogènes. Les indus-
tries de production et distribution
d’eau potable sont confrontées aux
mêmes problèmes. Les problèmes
d’hygiène des surfaces prennent un
caractère encore plus épineux dans
le domaine hospitalier, que ces sur-
faces soient les murs des salles d’in-
tervention ou la surface de cathé-
ters et d’implants. En France,
différentes études indiquent que 5
à 10% des malades hospitalisés
contractent une infection nosoco-
miale, qui sont estimées conduire à
plusieurs milliers de décès par an. Il
est généralement admis que 60%
de ces infections sont dues à la
présence de biofilms qui permettent
aux micro-organismes de dévelop-
per des stratégies de résistance
aux antibiotiques.
Un défi scientifique
Les biofilms se construisent et
évoluent en conjuguant de fortes
interactions entre la dynamique des
systèmes vivants, l'évolution de la
surface support et la chimie du mi-
lieu. Ce sont des lieux de gradients,
de couplages des phénomènes bio-
logiques et physico-chimiques, de
transferts de matière et d’échanges
d’information chimique et biologique
(quorum sensing1, transfert de
gènes…). Appréhender
la globalité des biofilms
et déchiffrer leurs méca-
nismes intimes exige de
croiser les compétences
issues de très nombreux
domaines scientifiques
complémentaires : éco-
logie microbienne, bio-
logie moléculaire, micro-
biologie, chimie des
solutions, physico-
chimie des surfaces,
science des matériaux,
mécanique des fluides,
géologie, ingénierie, etc.
Les concepts de la mi-
crobiologie des surfaces
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La revue trimestrielle du réseau Ecrin - n°60 - mai 2005
Création du PNIR-Biofilms
Mesure du courant local sur un échantillon d’acier
au carbone lors d'une corrosion localisée induite
par des bactéries sulfato-réductrices. La présence
de bactéries induit une augmentation locale
du courant, caractéristique de la
corrosion par piqûre.
Photographie prise au microscope optique de la bactérie Pseudomonas aeruginosa
PA01 adhérant sur des cellules de l'épithélium pulmonaire.
©
LISE UPR15, Paris
X (mm)
Y (mm)
Z (µA/mm2)
©
PBM UMR 6522, Rouen

restent en grande partie à décou-
vrir, et ce défi ne pourra être relevé
qu’en créant un espace interdisci-
plinaire qui permette de fédérer les
compétences et de construire sur
le long terme en capitalisant les
connaissances acquises.
Les biofilms échappent en grande
partie aux méthodes d’investigation
traditionnelles. Leur hétérogénéité
spatiale à l’échelle de quelques
micromètres implique le recours à
des techniques d’investigation
locales in situ. Le prélèvement d’un
biofilm naturel et sa mise en culture
par les méthodes traditionnelles
ne donnent que des informations
partielles sur la nature d’une partie
seulement des micro-organismes
qui le composent. Les microscopies
confocales, la biologie moléculaire
apportent des outils précieux qui
ont permis de premières avancées
significatives. De nombreux verrous
scientifiques restent toutefois à
lever pour cerner le comportement
des biofilms naturels.
Des avancées fondamentales sont
nécessaires pour parvenir à des
techniques de prévision, détection,
suivi et mitigation basées sur la
connaissance. Être capable de dis-
cerner le rôle des divers composants
d’un biofilm, concevoir des capteurs
qui ciblent des composants ou des
propriétés spécifiques, identifier les
paramètres pertinents en fonction
d’un risque particulier, définir des
techniques de lutte durables… sont
quelques exemples des défis
concrets à considérer comme des
objectifs prioritaires. La construction
d’un socle de connaissances fon-
damentales est aussi le premier pas
vers la conception de nouveaux pro-
cédés « biofilms positifs ». C’est un
certain type de biodiversité, en
termes de mécanismes et de fonc-
tions, qu’il reste à découvrir et à
transformer en procédés innovants.
Qu’est-ce que le
PNIR-Biofilms ?
Un espace interdisciplinaire
pérenne
La création2du pôle de recherche
national à implantation régionale
« PNIR-Biofilms » ouvre aux 19 la-
boratoires impliqués un espace de
recherche national, interdisciplinaire,
structuré et pérenne. Le pôle a pour
vocation de construire sur le long
terme un socle de connaissances
interdisciplinaires qui puisse ré-
pondre aux préoccupations de la
société et des acteurs industriels.
Pour assurer cette mission, le PNIR-
Biofilms se fixe plusieurs objectifs
qui convergent tous vers une
meilleure structuration de la théma-
tique au niveau national :
- fédérer le potentiel humain, mu-
tualiser les compétences et les
équipements,
- coordonner les recherches des la-
boratoires grâce à une structure
active de management scientifique,
- intégrer les connaissances et les
savoir-faire et les capitaliser sur le
long terme,
- coordonner au niveau national les
actions régionales telles que la
création ou le développement de
plates-formes technologiques,
- assurer une meilleure visibilité na-
tionale et internationale du poten-
tiel humain, des moyens et des
compétences dont disposent les
laboratoires sur cette thématique,
- augmenter l’attractivité et la facilité
d’accès aux équipes de recherche
pour les industriels, les collectivités
locales et les institutions,
- développer une culture de projet
qui pourra aboutir à des proposi-
tions d’actions concertées et des
projets de recherche en réponse
à des appels à propositions
nationaux et européens.
Une structure managériale
La structure du pôle résulte d’un
accord de coopération signé entre
14 universités, le CNRS et deux
EPIC3(CEA et Institut Pasteur) tu-
telles des 19 laboratoires impliqués.
Cet accord autorise toute initiative
au plan national et européen, et
facilite la signature des accords
de collaboration.
Un comité d’administration com-
posé des représentants de toutes
les tutelles arrête les orientations
stratégiques du pôle qui sont en-
suite mises en œuvre par un direc-
toire constitué d’un directeur et de
trois directeurs-adjoints ; ce dernier
met en place les actions destinées
à la coordination des projets, l’ani-
mation scientifique, la formation et
l’accès à l’information ; il assure éga-
lement la distribution des moyens
mis à la disposition du pôle. Le
directoire s’appuie sur un comité de
direction, qui regroupe l’ensemble
des directeurs de laboratoires impli-
qués dans le PNIR.
Un comité scientifique, largement
ouvert à des personnalités natio-
nales et internationales du monde
académique comme industriel vient
compléter le dispositif managérial
en assurant, entre autres, une pros-
pective scientifique.
De nouvelles formes
partenariales
Les laboratoires regroupés au sein
du PNIR-Biofilms sont engagés dans
de nombreux contrats de recherche
qui se caractérisent par la grande
variété des partenaires, aussi bien
par la taille que par la structure or-
ganisationnelle : grands groupes,
PME, EPIC, agences, associations
professionnelles… L’originalité tient
ici à la capacité du PNIR à mobiliser
rapidement des compétences pluri-
disciplinaires déjà structurées et
17
La revue trimestrielle du réseau Ecrin - n°60 - mai 2005
Création du PNIR-Biofilms
1Quorum sensing : processus de régulation du métabolisme microbien
qui associe l'expression de certains gènes au nombre de cellules présentes.
2Le premier PNIR, créé en 2003, porte sur la thématique « Carburants
et moteurs ».
3EPIC : Établissement public à caractère industriel et commercial.

aguerries à l’interdisciplinarité, à
même d’aborder des systèmes et
pas seulement leurs composants.
Sur le plan international, les labora-
toires ont largement participé aux
PCRDT4successifs et sont enga-
gés hors Union européenne dans de
nombreuses collaborations interna-
tionales : Canada (université de
Sherbrooke, Mac Gill University,
Montreal Hear Institute...), Afrique
du Sud, États-Unis (Centre for
Biofilm Engineering, Montana), etc.
Le PNIR-Biofilms a pour vocation
d’offrir à ses partenaires une ap-
proche interdisciplinaire structurée.
L’un de ses objectifs est de faciliter
les contacts avec les entreprises et
les organismes institutionnels en
s’appuyant sur différents modes de
partenariat :
• La veille technologique : l’entre-
prise participe aux réunions scien-
tifiques du pôle, organisées régu-
lièrement en région.
• La résolution de problèmes spéci-
fiques : l’entreprise interpelle le pôle
qui va fédérer les laboratoires sus-
ceptibles d’apporter une réponse,
en tenant compte de leur compé-
tence disciplinaire et de leur capa-
cité à engager des moyens.
• L’extension d’une étude : le ou les
laboratoires contactés par l’entre-
prise vont étendre la réflexion au
niveau du pôle, et élargir la colla-
boration aux laboratoires suscep-
tibles d’apporter une approche
complémentaire.
Lorsque la collaboration implique
plus de deux laboratoires, le pôle
peut mettre en œuvre un seul
contrat, le chef de projet qui assure
la coordination négociant pour l’en-
semble des tutelles des laboratoires.
La mutualisation des moyens ga-
rantit une flexibilité et une efficacité
renforcées.
Un carrefour d’échange et un
incubateur de projets
Les problématiques liées aux bio-
films touchent des secteurs écono-
miques et des partenaires institu-
tionnels extrêmement variés, qui
possèdent des cultures, des usages,
des circuits de communication
divers. Le PNIR a vocation à initier
la rencontre d’acteurs d’origines
diverses et à incuber des projets fé-
dérateurs, lorsque des solutions
communes peuvent être envisagées.
Dans cet objectif plusieurs outils
peuvent être mis en œuvre :
• Des ateliers spécifiques, centrés
sur une thématique donnée, au
cours desquels les partenaires sont
invités à formuler leurs préoccu-
pations (voir encart 2).
• Le soutien à des écoles théma-
tiques. Deux écoles thématiques
sont actuellement directement liées
aux activités du pôle :
- l’école « Adhésion-agrégation
des micro-organismes, méca-
nismes biologiques et physico-
chimiques » organisée par le
LCPME5du 9 au 13 mai 2005,
- l’école « Biodétérioration des ma-
tériaux » qui sera organisée en
collaboration avec la commission
éponyme du Cefracor6en oc-
tobre 2006.
Alain Bergel
Laboratoire de Génie Chimique - CNRS
Tél. [phone]
[email protected]
www.biofilms-pnir.org
18
La revue trimestrielle du réseau Ecrin - n°60 - mai 2005
Création du PNIR-Biofilms
En chromatographie en lit expansé la protéine
d'intérêt se fixe sur le support alors que les
micro-organismes passent librement au travers
du lit. Dans certains cas, les cellules, ici la levure
Saccharomyces cerevisiae, peuvent interagir
avec les billes adsorbantes, ce qui se traduit
par une altération des performances
de purification de la protéine cible.
©
LBB UMR 5504, Toulouse
4PCRDT : Programme cadre de recherche et de développement
technologique.
5Laboratoire de chimie physique et microbiologie pour l’environnement,
Villers-lès-Nancy.
6Centre français de l’anticorrosion.
Encart 2 : Atelier « Biofilms en milieu
hospitalier et thermal »
L’atelier, organisé en septembre 2005 à Paris, a pour objectif de ren-
forcer les liens ou d'en créer de nouveaux entre les laboratoires du
PNIR et les acteurs professionnels et institutionnels sur la théma-
tique. L’atelier comprendra trois sessions :
- les biofilms à l’hôpital,
- les biofilms dans les stations thermales,
- les biofilms en chirurgie et biomatériaux,
qui permettront de croiser les compétences académiques et les pré-
occupations de terrain sur des thématiques suffisamment précises pour
assurer des échanges efficaces et des avancées concrètes.
Pour en savoir plus : www.biofilms-pnir.org
En complément de ce dossier vous trouverez une synthèse documentaire
réalisée par l’Inist à cette adresse : http://www.inist.fr/ecrin