Que ce soit dans le corps humain ou sur des surfaces : Les bactéries se protègent des agressions extérieures grâce à des biofilms. La physicienne Eleonora Secchi étudie la structure de ces films protecteurs visqueux. L’objectif est de pouvoir éliminer plus facilement les bactéries pathogènes.
Au début, son intérêt était purement professionnel. En tant que physicienne, Eleonora Secchi s’intéresse depuis longtemps à la manière dont les matériaux souples se comportent lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques, c’est-à-dire lorsqu’ils sont chargés ou tirés. C’est en discutant avec un collègue ingénieur qu’elle s’est intéressée pour la première fois aux biofilms. Ce sont des formations visqueuses formées par des bactéries. Ils s’installent sur les surfaces humides, qu’il s’agisse de systèmes techniques ou de notre corps. On trouve ainsi des biofilms dans les conduites d’eau ou sous forme de plaque dentaire dans notre bouche. Ils peuvent par exemple obstruer les filtres à eau, mais aussi provoquer des caries ou des infections persistantes dans notre corps.
C’est pourquoi Eleonora Secchi s’intéresse aujourd’hui à ce sujet non seulement sur le plan professionnel, mais aussi personnel. Sa mère souffre d’une infection chronique causée par des biofilms. "Voir à quel point cette maladie est difficile à traiter me stimule encore plus dans mes recherches", explique Secchi. Son objectif : pouvoir lutter efficacement contre les biofilms là où ils représentent une menace.
Eleonora Secchi est chercheuse senior au département Construction, environnement et géomatique de l’ETH Zurich. Elle a étudié le génie physique et le génie nucléaire à l’Université polytechnique de Milan, où elle a également obtenu un doctorat en génie chimique/chimie industrielle. En tant que post-doctorante, elle a fait de la recherche à Paris, puis à l’ETH Zurich. en 2018, elle est devenue Principal Investigator et chef de groupe du bioMatter Microfluidics Group à l’ETH Zurich.
Comment une matrice protège les bactéries
Pour cela, la science doit d’abord mieux comprendre les biofilms. La physique peut apporter une contribution précieuse à cet égard. En effet, les biofilms se caractérisent par des propriétés physiques très spécifiques. En effet, les bactéries ne se contentent pas de s’y agglutiner, mais elles fabriquent activement une matrice stable qui les maintient ensemble. Cette matrice gélatineuse forme une barrière de protection semblable à une forteresse qui isole les bactéries de l’extérieur. Selon la devise "l’union fait la force", les bactéries se soutiennent mutuellement au sein d’un biofilm, par exemple en coopérant pour transformer les nutriments et fabriquer des éléments pour la matrice.
Les biofilms ne sont pas toujours nocifs. Ils sont présents sur les muqueuses du nez, de l’intestin ou de la peau. En règle générale, les communautés bactériennes ne sont pas dangereuses pour nous, mais remplissent au contraire des fonctions importantes, par exemple en repoussant les agents pathogènes ou en favorisant la digestion. Il en va autrement lorsque des bactéries pathogènes forment des biofilms. "On estime que 60 à 80 pour cent de toutes les infections sont dues à des biofilms", explique Secchi.
Le fait que ceux-ci soient souvent difficiles à combattre est lié à la matrice. Tant les cellules immunitaires que les substances antibiotiques ne peuvent guère traverser le bouclier protecteur. Les bactéries sont bien mieux protégées dans un biofilm que si elles se déplaçaient sous forme de cellules isolées. Les biofilms sont donc une source de souffrance et de coûts élevés. Ils peuvent en effet s’installer sur les tuyaux de ventilation ou les prothèses articulaires lors d’opérations par exemple. De tels appareils médicaux sont difficiles à nettoyer et coûteux à remplacer.
Dans le courant, les biofilms se durcissent
Eleonora Secchi et son équipe étudient surtout les biofilms dans les liquides en mouvement - dans des conditions qui imitent celles que l’on trouve par exemple dans les tuyaux d’eau ou dans le système urinaire. Dans ces conditions, les biofilms peuvent former ce que l’on appelle des "streamers" : de longues structures filiformes qui font saillie dans le courant. Le liquide qui s’écoule leur fournit en permanence de nouveaux nutriments. A l’inverse, le courant est un stress mécanique pour les bactéries, car elles risquent en permanence d’être emportées par le courant. "En réaction à cela, les streamers ont un comportement particulier - ils se durcissent et deviennent plus rigides", explique Secchi. Cela rend d’autant plus difficile l’élimination des communautés bactériennes gênantes ou pathogènes.
Pour étudier le comportement des "streamers", les chercheurs ont utilisé des technologies dites microfluidiques, qui ont permis de créer en laboratoire des mini-mondes artificiels reproduisant les conditions d’un vaisseau sanguin ou d’une conduite d’eau. L’équipe de Secchi a ainsi pu acquérir de précieuses connaissances et montrer pour la première fois, dans une publication récente, comment se produit le durcissement des streamers. La surprise qu’ils ont rencontrée : "Jusqu’à présent, on partait du principe que les biofilms s’adaptent biologiquement au stress provoqué par un courant. En d’autres termes, que les bactéries explorent leur environnement à l’aide de capteurs moléculaires et y réagissent activement en modifiant la composition de la matrice", explique Secchi. Mais ce n’est pas le cas : "Le durcissement est un mécanisme physique purement passif"
C’est un certain composant de la matrice - appelé ADN extracellulaire - qui en est en grande partie responsable. Celui-ci est, avec les molécules de sucre et les protéines, un élément essentiel des biofilms. En tant que colonne vertébrale physique, il contribue à renforcer la matrice. Là encore, ce fut une surprise : "Les cellules humaines comme les bactéries produisent en permanence de l’ADN extracellulaire. Or, celui-ci n’est pas seulement porteur d’informations génétiques, mais les bactéries l’utilisent activement dans les biofilms comme matériau de construction pour leur forteresse", explique Secchi.
Craquer la défense la plus forte
Grâce à ces nouvelles connaissances, Eleonora Secchi veut essayer d’affaiblir le bouclier de protection des biofilms. L’idée : rendre la matrice plus perméable, afin qu’elle soit plus facile à éliminer et plus vulnérable aux traitements existants. Dans ce contexte, il est clair pour Secchi qu’"il n’y a pas une seule meilleure façon d’attaquer les biofilms. Nous devrions utiliser différentes stratégies en même temps" Il s’agit notamment de rincer les biofilms ou de les attaquer chimiquement.
Dans une prochaine étape, il s’agira pour Secchi et son équipe - avec le soutien du Fonds national suisse - de rechercher si d’autres formes de biofilms que les streamers connaissent également le mécanisme de protection du durcissement dû au stress. Il s’agit peut-être d’un principe fondamental de la manière dont les biofilms s’adaptent aux conditions environnementales. Parallèlement, le groupe mène des recherches pour savoir quand et comment des médicaments comme les antibiotiques parviennent à pénétrer les biofilms. "Mieux comprendre la défense physique des biofilms ne rendra pas les antibiotiques superflus. Mais cela peut aider à rendre les traitements plus efficaces en affaiblissant l’une des stratégies de défense les plus puissantes des bactéries", explique Secchi.
Référence bibliographique
Savorana Giovanni, Redaelli Tommaso, Truzzolillo Domenico, Cipelletti Luca, Secchi Eleonora : Stress-hardening behaviour of biofilm streamers. Nature Communications 16, 9497 (2025),
