Mechanical confinement induces the emergence of a unique bacterial phenotype characterized by major changes in cell growth and size
Le confinement mécanique induit l'émergence d'un phénotype bactérien unique caractérisé par des changements majeurs en termes de croissance et de taille
Résumé
Microbes frequently proliferate within complex space-limited environments, where they experience and adapt to mechanical forces in order to survive and proliferate. However, the mechanisms involved in mechanical sensing and their physiological impact on bacterial communities remain poorly understood. To address this question, we designed microfluidic chambers connected to 400nm-wide channels to monitor bacterial growth upon confinement in a well-defined mechano-chemical environment, mimicking features of the complex environment encountered by bacteria during infection or biofilm formation. This device has been validated on various bacterial species with different shapes and envelopes, including pathogens. To decipher the impact of mechanical confinement on bacterial physiology, we use the biofilm-forming model organism Escherichia coli. We find that, as soon as bacteria become confluent in the chambers, their proliferation generates large mechanical forces on the surrounding microenvironment (~300kPa). Using high-resolution microscopy together with a machine-learning based image analysis pipeline, we show that mechanical stress induces a strong uncoupling between growth and division rates at the onset of confinement. This leads to a reversible morphological transition from rod-shaped to small quasi-isotropic bacteria, through multiple, fast divisions followed by division arrest. These non-dividing mini cells are characterized by a strong transcriptional reprogramming that favors bacterial survival, and an increase in cytoplasmic crowding, both being concomitant with mechanical stress build-up. In our current model, we propose that bacterial division is triggered early on upon confinement via a crowding-mediated fast increase in the concentration of a key component of the divisome machinery FtsZ, that bypasses the regulation of division by the envelope stress response. An additional increment in intracellular crowding up to a certain threshold finally inhibits bacterial division, potentially through nucleoid occlusion and the activity of the FtsZ polymerization antagonist SlmA. Altogether, we show that mechanical sensing via the bacterial envelope together with crowding sensing at the cytoplasmic level induce a unique physiological state in bacteria to adapt to large mechanical constraints, with important implications in bacterial survival and infection outcome.
Les microbes prolifèrent fréquemment dans des environnements restreints, où ils sont sujets à des contraintes mécaniques auxquelles ils s'adaptent pour survivre et proliférer. Cependant, les mécanismes impliqués dans la perception de ces contraintes et leur impact sur les communautés bactériennes restent assez méconnus. Afin d'explorer cette question, nous avons mis au point des chambres microfluidiques connectées à des canaux nanométriques, de largeur 400nm. Ces chambres nous ont permis d'étudier la prolifération des bactéries sous confinement dans un environnement mécano-chimique contrôlé, représentatif des environnements rencontrés par les bactéries au cours de l'infection, tel qu'au sein des biofilms. Ce système expérimental a été utilisé pour confiner plusieurs espèces bactériennes, y compris pathogènes, avec des formes et des enveloppes variées. Pour comprendre l'impact du confinement mécanique sur la physiologie bactérienne, nous avons utilisé la bactérie modèle Escherichia coli. Nous avons montré que la prolifération des bactéries, une fois à confluence, génère des contraintes mécaniques considérables sur le microenvironnement (~300kPa). Grâce à la microscopie de haute résolution combinée à une méthode d'analyse d'image basée sur le machine-learning, nous avons montré que ces contraintes mécaniques induisent un découplage immédiat de la croissance et de la division. Ce découplage conduit à l'émergence de changements morphologiques majeurs, au cours desquels les bactéries initialement en batônnets deviennent plus petites et adoptent une forme quasi isotropique. Cette transition morphologique est initiée par une série de divisions successives sans que les bactéries ne croissent, et conduit in fine a un arrêt de la division. Ces mini bactéries sont caractérisées par une reprogrammation transcriptionnelle, qui permet leur survie, ainsi qu'une augmentation de l'encombrement cytoplasmique, tous deux étant induits par le confinement. Dans notre modèle actuel, nous proposons que la division bactérienne est rapidement déclenchée sous confinement, par l'augmentation de la concentration de FtsZ, un composant essentiel du complexe protéique responsable de la division. Cette augmentation de concentration est médiée par l'encombrement, et contourne la régulation médiée par la voie de réponse au stress à l'enveloppe. Une augmentation supplémentaire de l'encombrement finit par inhiber la division, potentiellement via un mécanisme protecteur de l'ADN qui pourrait être régulé par la protéine SlmA, antagoniste de la polymérisation de FtsZ. Au cours de ce travail de thèse, nous avons donc montré que la perception des contraintes mécaniques à la fois au niveau de l'enveloppe et au niveau du cytoplasme induit un état physiologique unique chez les bactéries, qui leur permet de s'adapter aux contraintes mécaniques, avec des conséquences importantes dans la survie bactérienne et l'issue de l'infection.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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