ENJEUX SOCIO- ECONOMIQUES, DE SANTE PUBLIQUE ET INDUSTRIELS
Les bactéries adhérentes à la surface d’équipements sont régulièrement mises en évidence dans de nombreux environnements industriels tels que l’agro-alimentaire où elles sont considérées comme une source majeure de contamination des aliments, entraînant des problèmes économiques et hygiéniques.
On estime par exemple que près de 25% des infections alimentaires seraient induites par une contamination croisée pendant la transformation de l’aliment.
Les mêmes constatations sont réalisées dans les foyers, où les surfaces des cuisines sont souvent très contaminées.
Limiter l’adhésion des bactéries durant les phases de production, et faciliter leur décrochement pendant les phases de nettoyage constituent donc un réel enjeu industriel et sanitaire.
La prédiction de ces phénomènes passe par la modélisation des cinétiques d’adhésion et de décrochement.
Pourtant la connaissance insuffisante des mécanismes d’interaction entre bactéries et surfaces inertes limite la portée de nombreuses études et représente un obstacle à la modélisation.
ENJEUX SCIENTIFIQUES, « ETAT DE L’ART », PLACE DU PROJET DANS LE CONTEXTE INTERNATIONAL
De nombreuses voies de recherche sont actuellement explorées pour limiter l’adhésion des bactéries aux surfaces inertes ou faciliter leur décrochement : définition de matériaux antiadhésifs en jouant sur leur nature chimique ou leur topographie et de matériaux anti-microbiens, conception d’équipements hygiéniques, mise au point de nouveaux procédés de nettoyage (enzymes, débits pulsés, etc.).
Des études sont aussi menées sur la surface bactérienne afin de déterminer les propriétés affectant l’adhésion. Sur les spores de Bacillus cereus par exemple, des études macroscopiques (quantification des spores adhérentes) ont permis d’identifier le rôle du caractère hydrophobe, de la présence d’appendices et de la taille des spores sur leur adhésion et/ou leur décrochement.
En revanche, la bibliographie ne recèle aucune information sur le rôle probable des propriétés mécaniques des bactéries sur l’adhésion, alors que l’utilisation de la microscopie de force atomique (AFM) permet désormais de quantifier la déformabilité des cellules, et même des macromolécules de surface. Le rôle de l’hétérogénéité des surfaces, quant à lui, commence à être étudié, notamment pour le matériau support. Des résultats ont aussi été rapportés sur la complexité de la surface bactérienne, ou l’hétérogénéité au sein des populations, mais bien que l’impact potentiel d’une telle hétérogénéité sur les interactions bactéries/surfaces semble désormais acquis, ces données n’ont, à ce jour, pas été mobilisées pour l’étude de l’adhésion.
D’autre part, les cinétiques de décrochement de micro-organismes lors des procédures de nettoyage ont souvent été modélisées par une cinétique du premier ordre, la constante de vitesse de décrochement dépendant de la contrainte appliquée. Bien qu’il soit raisonnable de supposer que cette contrainte est directement liée à la force d’interaction bactérie/support, elle-même dépendante des propriétés superficielles des bactéries, aucune de ces grandeurs n’a à ce jour été prise en compte dans la définition des constantes de vitesse des modèles cinétiques.
Il devient donc essentiel de disposer de données précises sur la surface des bactéries mais aussi sur la force d’interaction bactérie/support afin de les intégrer à la modélisation.
Afin d’estimer la force d’interaction bactérie/support, des méthodes indirectes sont généralement mises en œuvre : dénombrement des bactéries adhérentes et résistance à des forces de cisaillement.
Avec l’apparition de l’AFM, l’estimation des forces d’interaction entre bactéries et matériaux (sur une gamme très large allant du picoNewton au microNewton) est devenue possible au niveau de la cellule, mais aussi au niveau nanoscopique. Cependant, les données obtenues par ces différentes méthodes ont rarement été confrontées, et encore moins mobilisées pour la construction de modèles d’adhésion et de décrochement des bactéries.
L’objectif de ce projet est d’assurer une meilleure compréhension de la dynamique des interactions bactérie/matériau en quantifiant les forces d’interaction, tout en intégrant de nouvelles connaissances sur la complexité de la bactérie au niveau d’une cellule ou d’une population. Les données acquises seront mobilisées dans le développement de modèles de cinétiques d’adhésion et de décrochement des bactéries.
PROBLEMATIQUE ET OBJECTIFS SCIENTIFIQUES ET/OU TECHNOLOGIQUES
Beaucoup de travaux publiés ont porté sur l’effet des propriétés de surface des bactéries sur l’adhésion, mais des désaccords persistent entre les auteurs sur le rôle exact des propriétés physico-chimiques ou de la morphologie par exemple. Certaines incohérences peuvent s’expliquer par la diversité des modèles bactériens choisis (la plupart ayant en outre des propriétés mal définies, voire en évolution constante) mais aussi par la mise en œuvre de méthodes différentes pour l’évaluation de l’adhésion.
Enfin, les auteurs ont le plus souvent assimilé les populations bactériennes à un ensemble homogène de particules modèles, négligeant par conséquent des facteurs essentiels tels que l’hétérogénéité des populations ou la complexité de surface (présence d’appendices) et les propriétés mécaniques (déformabilité, voire fragilité) des bactéries. L’absence de prise en compte de ces caractéristiques est rédhibitoire pour prétendre à une modélisation fiable des cinétiques d’adhésion et de décrochement.
Afin d’assurer une meilleure compréhension des phénomènes d’adhésion, ce projet propose une approche multidisciplinaire en croisant des compétences en microbiologie, microscopie à champ proche et lointain, mécanique des fluides et modélisation avec deux objectifs principaux :
1/ Acquérir des connaissances sur la surface bactérienne (composition, nanostructures, morphologie, macromolécules, déformabilité) au niveau d’une population, puis mettre en évidence les hétérogénéités au sein de cette même population, pour appréhender de manière progressive la complexité des phénomènes mis en jeu et ainsi déterminer in fine les facteurs affectant la force d’adhésion.
2/ Modéliser les cinétiques d’adhésion et de décrochement des bactéries, en prenant en compte la force d’interaction entre bactérie (dans sa complexité) et matériau, puis dans un deuxième temps l’hétérogénéité au sein de la population bactérienne.
Afin de réaliser ces travaux, la spore de Bacillus a été retenue comme modèle car elle pourra permettre de disposer d’un panel d’éléments bactériens présentant des propriétés de surfaces variées et maîtrisées.
Après avoir identifié sur ce modèle les propriétés bactériennes affectant la force d’interaction bactérie/support, nous rechercherons le rôle de ces mêmes propriétés sur l’adhésion des bactéries non sporulées.
Le modèle Listeria monocytogenes a été retenu pour sa pertinence en IAA et sa persistance sur de nombreuses surfaces, notamment dans la filière « Produits de la Mer ».
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