Il se peut que vous n’ayez jamais entendu parler d’eux, mais les pili sont (presque) partout. Ces fils protéiques de quelques nanomètres de diamètre et dont la longueur peut atteindre plusieurs microns sont au cœur de l’arsenal bactérien quand il s’agit d’interagir avec l’extérieur. Toutes les bactéries n’en possèdent pas, mais les pili sont d’une incroyable efficacité pour partir à l’abordage d’une cellule humaine, échanger de l’ADN ou tout simplement se déplacer. Bon nombre de bactéries pathogènes arborent à un moment ou à un autre de leur cycle cellulaire des pili de formes et de structures variées. Dans la plupart des cas, les pili jouent un rôle important dans l’infection bactérienne. Ici, nous allons nous intéresser aux pili de type IV que portent un grand nombre de pathogènes bactériens [ 1, 2] et plus particulièrement au rôle que jouent ces filaments dans l’infection par Neisseria gonorrhoeae. Neisseria gonorrhoeae, agent infectieux de la blennorragie (la chaude pisse), outre son intérêt médical, représente un merveilleux système modèle pour l’étude des pili de type IV.

Neisseria gonorrhoeae possède des pili sur toute sa surface et c’est son unique moyen pour se déplacer activement. En effet, les pili de type IV ont ceci de particulier qu’ils sont dynamiques [ 3]. Ces longs (jusqu’à 30 microns soit plus de 10 fois la taille de la bactérie) polymères d’une même protéine (la pilin) peuvent être excrétés à des vitesses étonnantes (quelques microns par seconde) et permettent ainsi à la bactérie de sonder son environnement [ 4]. Mais plus étonnant encore, ces filaments peuvent se rétracter à l’intérieur du corps de la bactérie et cette rétraction peut s’accompagner de la génération de forces physiques sur l’environnement de la bactérie [ 5]. À l’instar d’un Spiderman microscopique, Neisseria gonorrhoeae peut lancer ces pili autour d’elle et les rétracter pour se déplacer ou exercer des forces sur son entourage.

Emblème d’Haïti dont les pili suivent la devise

Emblème d’Haïti dont les pili suivent la devise

Et ces forces sont loin d’être négligeables. Grâce à un astucieux montage optique, la force que peut exercer la rétraction d’un seul pilus a été mesurée : environ 100 picoNewton (pN) [ 6]. Qu’est-ce donc qu’un picoNewton ? Le Newton est l’unité internationale de force et correspond approximativement au poids d’une masse de 100 grammes. Un picoNewton est donc 10¹² plus petit qu’un Newton et 100 pN peuvent passer à première vue pour une force relativement faible. Mais il ne faut pas oublier que les forces exercées via les pili le sont à des tailles microscopiques et non à notre échelle macroscopique. Il est difficile de comparer directement les forces à ces deux échelles, mais on peut s’en faire une représentation en comparant les forces exercées relatives au poids des entités en question. Un être humain peine généralement à soulever son propre poids. Si l’on en croit les bandes dessinées, Spiderman devrait pouvoir déplacer à peu près 100 fois son propre poids. Les 100 pN que la rétraction d’un seul pilus peut exercer correspond à 10 000 fois le poids de la bactérie !

Pour se déplacer contre la plupart des flots de liquides qu’elle serait amenée à rencontrer, la bactérie Neisseria n’aurait besoin de développer qu’une force de quelques picoNewtons. Mais à quoi sert donc toute cette force ? Longtemps ignorée des biologistes, la force physique se révèle depuis quelques années un paramètre essentiel de nombre de processus biologiques lors du développement, de la différenciation, ou, comme ici, d’infections bactériennes. Dans le cas de Neisseria gonorrhoeae, la production de forces est critique lors de l’infection. Le pilus n’en est pas directement responsable. Un nanomoteur (la protéine PilT) localisé sans doute à la base du pilus contrôle la rétraction et la génération de force [6]. Lorsque l’on enlève génétiquement cette protéine, la bactérie possède toujours des pili, mais ils ont perdu leur dynamisme. Ils ne peuvent plus se rétracter. Et cette absence de force suffit à perturber l’interaction entre les bactéries et les cellules humaines. Nombre de modifications des cellules humaines associées à l’infection par Neisseria ne se font plus [ 7, 8]. L’expression génique des cellules humaines en réponse à l’infection est aussi fortement modifiée en présence ou en l’absence de force mécanique [ 9]. L’ensemble de ces données montre l’importance de la production de forces lors d’une infection par Neisseria gonorrhoeae. Mais, si l’importance d’une force mécanique est reconnue depuis quelque temps, l’intensité de celles que Neisseria gonorrhoeae peut exercer dans le cadre d’une infection restait inconnue.

Figure 1. Groupe de Neisseria gonorrhoeae interagissant avec un système de mesure de forces. Les fils issus des bactéries sont des faisceaux de plusieurs pili.

Figure 1. Groupe de Neisseria gonorrhoeae interagissant avec un système de mesure de forces. Les fils issus des bactéries sont des faisceaux de plusieurs pili.

Comme nous l’avons indiqué ci-dessus, un pilus tout seul peut produire une force de 100 pN. Mais chaque bactérie possède plusieurs pili et beaucoup plus d’une bactérie prennent part à une infection. La question est donc de savoir comment les pili vont interagir et quelles vont être les forces résultantes. Pour répondre à cette question, nous avons mis au point un nouveau procédé de mesure de forces [ 10]. Il s’agit d’une forêt de piliers en hydrogel de taille microscopique. Tous les piliers sont identiques et leur déflection permet de connaître la force exercée sur chaque pilier. Ce nouvel outil a permis de cartographier les forces exercées par les bactéries à différentes densités. Et il apparaît que même une bactérie isolée peut exercer des forces de l’ordre du nanoNewton soit environ 10 fois les forces exercées par un seul pilus. Cela signifie que Neisseria gonorrhoeae peut déplacer jusqu’à 100 000 fois son propre poids, ce qui en fait sans conteste le plus puissant micro-superhéros étudié jusqu’à présent. Mais comment diable Neisseria réussit-elle à atteindre de telles forces ? En regardant de plus près grâce à un microscope électronique, nous avons découvert que les bactéries pouvaient former des faisceaux de 8 à 10 pili (pas plus) qui doivent se rétracter à l’unisson avec une force décuplée. La formation de tels faisceaux se fait lentement au cours du temps et met en jeu des interactions successives de pili issus de la même bactérie. Un premier pilus interagit avec l’extérieur et peut tirer jusqu’a 100 pN. Avec le temps, il se peut qu’un deuxième pilus interagisse avec le premier et forme un doublet. Ce faisceau de deux pili peut maintenant tirer avec une force deux fois supérieure. Un troisième pilus peut interagir avec le doublet déjà formé pour former un triplet qui peut maintenant tirer trois fois plus fortement que ne le fait un seul pilus. Tout cela jusqu’à former des faisceaux rassemblant 8 à 10 pili. La nature exacte de l’interaction entre les pili ainsi que les mécanismes responsables de l’arrêt de la formation des faisceaux lorsqu’ils atteignent une certaine taille restent mystérieux. Mais c’est la formation d’une entité rétractile coopérative de 8 à 10 pili qui permet à Neisseria gonorrhoeae d’atteindre des forces de l’ordre du nanoNewton : l’union fait effectivement la force !

De plus, ces forces de l’ordre du nano-Newton sont suffisantes pour déformer la surface des cellules humaines. Et le rôle de la force mécanique dans les infections bactériennes ne semble pas limité au cas de Neisseria gonorrhoeae. Dans le cas de Neisseria meningitidis, les forces hydrodynamiques contribuent à l’infection [ 11]. Les forces exercées par leurs pili pourraient peut-être aussi avoir un rôle dans l’infection. Beaucoup reste à faire pour percer les secrets de cet envoûtant tango physique entre bactéries et cellules humaines.