Impact de l’environnement micromécanique sur la motilité twitching de la bactérie pathogène Pseudomonas aeruginosa

Impact of the micromechanical environment on the twitching motility of the bacterial pathogen Pseudomonas aeruginosa

• Auteur / Autrice : Kennedy Nexon Chagua Encarnación
• Direction : Martin Castelnovo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Verdier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martin Castelnovo, Claude Verdier, Eric Raspaud, Fabrice Thalmann, Cendrine Moskalenko, Sigolène Lecuyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Raspaud, Fabrice Thalmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière molle (physique)

Biophysique

Pseudomonas aeruginosa

Mots clés libres

Pseudomonas aeruginosa

Migration bactérienne

Motilité twitching

Pili type IV

Diffusion anormale

Corrélation à long portée

Pseudomonas aeruginosa

Bacterial migration

Twitching motility

Type IV pili

Anomalous diffusion

Long-range correlation

Résumé

Dans ce travail, nous avons étudié l'influence de la rigidité du substrat et du cisaillement de l'écoulement sur la motilité de surface exercée par la machinerie cellulaire des pili de type IV, communément appelée motilité “twitching”, de la bactérie pathogène Pseudomonas aeruginosa. Tout d'abord, nous étudions l'influence de la rigidité du substrat de polyacrylamide sur la motilité twitching. Nous observons que la nature diffusive de la motilité est dépendante du substrat, allant de sous-diffusive sur des substrats mous (~ 3 kPa) à superdiffusive sur des substrats rigides (~ 75 kPa). Nous montrons que la cause de ce comportement diffusif anormal est la non-indépendance des incréments de déplacement, ce qui donne lieu à une corrélation à longue portée dépendant du substrat. Cette corrélation à longue portée a un impact sur la persistance et la vitesse des déplacements. Deuxièmement, nous étudions l'influence du taux de cisaillement de l'écoulement sur la motilité twitching sur des substrats en verre. Nous montrons que le comportement bactérien est superdiffusif et que le coefficient de diffusion dépend du taux de cisaillement. L'effet du taux de cisaillement sur la diffusivité est lié à une augmentation des incréments de déplacement. A ce stade, on ne sait pas encore si cette augmentation de l'incréments de déplacement est passive dans la direction du flux, ou si elle est le résultat d'une réponse active aux forces de cisaillement.Enfin, nous étudions l'effet potentiel des gradients de rigidité spatiale de polyacrylamide sur la motilité twitching, un phénomène connu sous le nom de durotaxie. Nous montrons que dans conditions expérimentales, la motilité de Pseudomonas aeruginosa ne présente pas de durotaxie. Nous faisons l'hypothèse que la forte persistence des traces bactériennes pourrait empêcher leur réorientation dans le temps de nos expériences.

In this work, we study the influence of substrate rigidity and flow shear rate on surface motility driven by the cellular type IV pili machinery, commonly called “twitching” motility, of the pathogen Pseudomonas aeruginosa.First, we investigate the influence of polyacrylamide substrate stiffness on twitching motility. We show that the diffusive nature of twitching motility is substrate-dependent, showing sub- and superdiffusive behavior on soft (~ 3 kPa) and stiff (~ 75 kPa) substrates, respectively. We show that the cause of the anomalous diffusive behavior is a product of the non-independence of the displacement increments, showing substrate-dependent long-range correlation. This long-range correlation had an impact on the persistence and speed of twitching bacteria.Second, we investigate the influence of flow shear rate on twitching motility on glass substrates. We show that bacterial behavior is superdiffusive and that the diffusion coefficient is shear rate- dependent. The effect of shear rate on diffusivity is caused by an increase in displacement increments. It is not clear at this time whether the increase in displacement increments is passive in the direction of flow or the result of an active response to shear forces.Finally, we investigated a potential effect of polyacrylamide spatial stiffness gradients on twitching motility, a phenomenon known as durotaxis. We show that under our approach and experimental condition, the twitching motility of Pseudomonas aeruginosa does not exhibit durotaxis. We hypothesize that the high persistence of bacterial tracks could prevent reorientation within the time frame of our experiments.