Cours Adhesion

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Adhésion & Biofilms
- L’étude des bactéries s’est souvent faîte dans les milieux de culture pour des
raisons de facilités d’étude et (physiologiques, génétiques) et d’observation.
- Cette approche néglige la réalité : les bactéries dans l’environnement naturel
se développent sous forme d’agrégat entre elles, en multicouches sur des
surfaces et en amas en suspension dans les interfaces gaz-liquides. Dans les
liquides, la plupart des bactéries sont dépourvues de toutes attaches
(bactéries planctoniques) car en suspension et animée par des mouvements
brownien liquidiens.
- Un écosystème est composé d’un communauté microbienne vivante dans un
environnement précis appelé « niche » avec des composés abiotiques physico-
chimiques (nutriments, température, pH, oxygène, etc..).
- La co-evolution et la coaggrégation bactérienne est la norme du vivant en
matière de biofilm avec des biofilms permettant à certaines bactéries assurent
la croissance d’autres bactéries par l’utilisation réciproque de métabolites
propres.
- Exemple :
II.Bases de l’adhésion -
- L’adhésion des micro-organismes sur une surface solide est un processus
s’effectuant en plusieurs étapes :
- Transport vers la surface, adhésion non spécifique puis spécifique ou adhésion
réversible puis irréversible.
1. Présentation : Adhésion non spécifique et spécifique :
Adhésion non spécifique :
- BUSSCHER et WEERKAMP (1987) ont définis des interactions non spécifiques
du aux charges ou à l’énergie de surface.
- Des liaisons non covalentes : interactions hydrophobes – forces
électrostatiques (faible dans l’eau à cause de la constante diélectrique faible).
- Des cations polyvalents augmentent l’adhésion (BUCHANAN 1978).

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Adhésion spécifique :
- L’adhésion est la première étape de la colonisation des bactéries gram
négatifs.
- Elle se fait par des organelles : pili (fimbriae) : structure protéique tubulaire
liée à la surface bactérienne et impliquée dans le processus d’attachement
aux surfaces ou aux cellules.
2. Adhésion non spécifique :
- Un pont intermoléculaire entre la bactérie et la cellule hôte par interaction
électrostatique à tous les deux.
- En raison des phospholipides de membrane de plasma, des acides
lipoteichoïques, des lipopolysaccharides, des résidus acides de sucre et
d'autres facteurs, la charge extérieure nette des deux bactéries et les
cellules épithéliales est négative, de ce fait entraînant une répulsion entre les
cellules.
- La répulsion électrostatique est fortement influencée par la concentration
ionique de la solution. (Plus la concentration ionique est haute, plus on diminue
la double couche électrique et on a moins de répulsion).
- Fimbriae sur la surface bactérienne sont suffisamment mince (3-10 µm
épais/0,3 à 2 µm long) pour que parallèle à la surface bactérienne elles
surmontent la répulsion électrostatique.
3. Adhésion spécifique :
- Composition : Les pili sont fins, sous la forme de tubes protéiques issue de la
membrane cytoplasmique et habituellement situé sur toutes les bactéries
gram négatifs, mais rarement chez les grams positifs.
- Il existe deux types de pili : les pili d’attachements courts (fimbriae) qui sont
nombreux.
- Les pilis long de conjugaison appelé aussi F ou pili sexuel (petit nombre). Le
pilus est tube creux composé de protéine appelée piline subdivisée en six à
sept protéines structurales distinctes.
- L’organisation structurale du P-pilus est représentée ci-dessous au chapitre
sur la fonction (Fig 1).
- A l’extrémité du tube, on a une structure adhésive ayant une forme
correspondant à un récepteur glycoprotéique ou glycolipidique de la cellule
hôte ou de l’environnement bactérien.

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- Fonction :
- Les pili courts d’attachement ou fimbriae sont des organelles d’adhésion pour
la colonisation des surfaces de l’environnement et la résistance aux flux. On
les nomme fimbriae « chaperones Usher » car ils sont couplés à un système de
protéines assurant l’expression d’un pore et la synthèse de protéines
polymérisées en cascade (adhésines).
- Il existe deux types selon leur longueur et les protéines chaperones du
périplasme bactérien intervenant dans leur synthèse : FGL (Boucle longue) et
FGS (Boucle courte).
- Les fimbriae de contact peuvent subir une dépolymérisation qui s’ensuit par
une néosynthèse possible de ces derniers. Les polymères protéiques sont des
homo ou des hétéropolymères linéaires pouvant faire appel à plusieurs
centaines de sous-unités.
- Les fimbriae sont assemblés à partir de protéines d’adhésines transportées au
travers de la membrane externe des bactéries Gram négatifs par un système
enzymatique « Sec-dépendant ».
Figure 1 – Organisation pili
- Les bactéries mobiles disposent de ces pili pour leur mobilité dépendante de
leur phénotype dans le biofilm au sein de systèmes de ciliatures très
différents :
o Ciliature monotriche pour un seul pili à un pôle.
o Ciliature péritriche pour une cellule bactérienne entourée de pili.
o Ciliature amphitriche pour une cellule bactérienne avec un pili à chaque
pôle opposé.
o Ciliature lophotriche pour une cellule bactérienne avec plusieurs pili sur un
même pôle.

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- Selon la structure le mouvement bactérien variera avec des mouvements du
pili nécessitant pour sa mise en fonction une énergie allant jusqu’à 1000
protons. Leur déplacement peut être ainsi rapide et brusque en milieu aqueux.
- Les pili sont assemblés à partir de protéines de pilines transportées au niveau
de la membrane cytoplasmique des bactéries Gram négatifs avec une
polymérisation des pilines constituant un pilus qui traverse la membrane
externe.
- Différents récepteurs pour l’adhésion sont sollicités par les protéines
d’adhésion des fimbriae ou pili. La spécificité est plus élevée dans le cas des
pili (un type de liaison à un récepteur le plus souvent) que dans le cas des
fimbriae (au moins deux types de liaison à plusieurs récepteurs).
- La liaison entre les micro-organismes et la surface cellulaire dans ce cas est
spécifiques et varie selon le tissu (épithélium urinaire, gastro-intestinal,
surfaces dentaires, coaggrégation inter-bactérienne).
- Elle limite aussi la colonisation à un tissu spécifique d’espèce ( E. coli CFA/I et
de CFA/II sont limitées aux humains, E. coli K88 infectent des porcs E. coli
K99 sont limitées aux agneaux) (de GRAAF et al. 1994) (Figure 2).
Bacterie/Fimbriae
Recepteurs
Escherichia coli
K88
β
-
D
-
Gal, fucose, GalNac, GlcNac, Gal
α
(1
-
3)Gal,
Galactosylceramide
E. coli
K99
GalNac
β(
1
-
4)G
al
β
(1
-
4)GlcCer,
NeuGc
α
(2
-
3)Gal
β
(1
-
4)Glcβ(1-1)Cer
E. coli
F41
GalNac, GlcNac
E. coli
987P
Fucose, Glucose, Galactose, Mannose sur
oligosaccharides
E. coli
CFA
GalNac
β
(1
-
4)Gal
α
(1
-
4)GlcCer, Gm2 ganglioside,
sialoglycoproteine
E. coli
Sfa
NeuAc
α
(2
-
3)Gal
β
(1
-
3)GalNAc
S. typhimurium
Gal
β
(1
-
3)GalNAc
[
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]
Figure 2 – Récepteurs des adhésines fimbriales
- Plusieurs protéines de surface ont un rôle dans la capacité qu’ont les
staphylocoques à coloniser les tissus vivants. Des adhésines appartenant à la
famille MSCRAMM ( Microbial Surface Components Recognizing Adhesive
Matrix Molecules
) sont capables de se fixer à la matrice extracellulaire tout
en restant ancrées dans la paroi (peptidoglycane) avec des liaisons fortes
(covalentes) avec une thréonine terminale.
- La protéine A qui est une protéine MSCRAMM assure la fixation de
Staphylococcus aureus au facteur de Von Willebrand entraînant des lésions et
infections vasculaires
(OTTO - 2009).

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III. Relation entre Adhésion et Biofilms :
- Ces systèmes de croissance sont appelés les biofilms vis – à vis desquels un
nombre limité de moyens standardisés de protocole existe.
- La proportion de micro-organismes prélevés est ignorée car l’intensité de
l’adhésion d’un biofilm naturel est une grandeur inconnue qui dépend de
nombreux facteurs (EGINTON et al. 1998).
- Ces biofilms sont ensuite de différents types (environnement, industrie,
contexte clinique).
- Leur étude nécessite de faire appel à différentes disciplines (biologistes
cliniciens ou des sciences de la vie, des chimistes ou ingénieurs spécialistes
des surfaces, des mathématiciens et des physiciens sur la modélisation).
IV. Définition -
- Les biofilms sont des couches de micro-organismes associés à un type de
surface.
- Les biofilms sont constitués d’un seul type ou de plusieurs types de micro-
organismes (levures, bactéries, protozoaires ou des combinaisons de toutes
ces espèces).
- Il existe plusieurs définitions des biofilms.
- La plus adaptée est celle de CHARACKLIS (1989a) :
« Un biofilm est une communauté microbienne adhérant à une surface et
fréquemment incluse dans une matrice de polymères exocellulaires » Cette
matrice est aussi appelée « couche muqueuse ».
- Un biofilm est une structure fréquente, non obligatoire, qui a un âge et une
densité (non visible à sa limite inférieure 10
4
cellules/cm
2
– visible à partir de
10
8
cellules /cm
2
).
- Les biofilms sont souvent hétérogènes (discontinus, microcolonies séparées
par des espaces inter-colonies laissant circuler les liquides librement) :
structure établie sans contrainte. On a aussi des biofilms homogènes
organisés par des champs de forces au niveau expérimental en laboratoire.
- La structure de ces biofilms dépend non seulement des micro-organismes,
mais aussi des molécules engagées dans leur formation. L’efficacité de ces
molécules pour former des biofilms dépend d’une concentration seuil
moléculaire obtenue à partir d’une certaine population bactérienne ayant
atteint une valeur suffisante (un quorum).
Le biofilm en « gruyère » de Pseudomonas aeruginosa est du à la présence
d’une molécule signal (homosérine lactone) (DAVIES et al. 1998).