Les biofilms sont des communautés microbiennes structurées, enchâssées dans une matrice extracellulaire autoproduite, dont l’architecture résulte de l’interaction entre la régulation génétique, la communication intercellulaire et les contraintes physiques. Ce mode de vie permet aux bactéries de se maintenir dans de nombreux environnements, notamment dans des environnements industriels et médicaux, ainsi que dans des systèmes confinés tels que les habitats spatiaux. À bord de la Station spatiale internationale, des biofilms ont été observés dans les systèmes de support de vie, soulignant l’importance de comprendre l’impact de la gravité altérée sur leur formation et leur fonctionnement.

Dans cette étude, nous avons analysé les éléments génétiques clés influençant la «fitness» du biofilm sous gravité altérée à l’aide d’une approche CRISPRi chez B. subtilis NDmed. La fitness du biofilm a été évaluée à partir de l’abondance relative mesurée lors de criblages CRISPRi en population. En nous appuyant sur des analyses transcriptomiques antérieures, nous avons conçu une bibliothèque CRISPRi ciblant plus de 400 éléments génétiques, codants et non codants, surexprimés lors des premières phases de formation du biofilm. Nous avons d’abord validé notre système, nommé CUTE, comme un outil efficace de contrôle de l’expression génique permettant l’étude fonctionnelle de gènes associés aux biofilms dans différents modèles. Cette approche a permis d’identifier le rôle d’ARN non codants encore peu caractérisés dans le développement des biofilms et de mettre en évidence l’importance de gènes impliqués dans la synthèse de la matrice, la motilité, la chimiotaxie (y compris l’aérotaxie), la régulation génétique et la réponse au stress dans les modèles de macrocolonies solide-air et de pellicules liquide-air chez NDmed.

Nous avons ensuite réalisé des criblages CRISPRi à l’échelle de la population afin d’identifier les gènes clés sous gravité terrestre, en microgravité et en hypergravité simulée. Différents modèles de biofilm ont été soumis à des conditions de gravité reproduisant celles de l’ISS (~0 g), de Mars (0,38 g) et de la Lune (0,16 g), ainsi qu’à une gamme de niveaux gravitationnels croissants de 2 g à 16 g. Ces conditions ont été simulées à l’aide d’une machine de positionnement aléatoire (RPM) et d’une centrifugeuse de grand diamètre (LDC). La gravité simulée a modifié la fitness des gènes de manière fortement dépendante du modèle et de la structure du biofilm. Les communautés «sessiles», incluant les macrocolonies, les biofilms attachés aux surfaces et les pellicules, ont présenté des réponses de fitness dépendantes de l’architecture impliquant des gènes du métabolisme, de la régulation et de la matrice extracellulaire. En revanche, les populations associées à la motilité de type «swarm» ont montré une signature fonctionnelle distincte, dominée par des processus de transcription et de traduction. Aucun gène n’est sensiblement affecté par la gravité altérée dans l’ensemble des modèles étudiés, ce qui soutient l’idée que la gravité agit indirectement comme un modulateur des conditions aux limites physiques en modifiant l’environnement physique et physiologique de la communauté.

Dans l’ensemble, cette étude établit le criblage CRISPRi en population comme un cadre d’analyse en génomique fonctionnelle pour l’étude de la formation des biofilms sous gravité altérée et montre qu’une approche basée sur l’architecture, dans laquelle le fitness génétique résulte des interactions entre l’organisation spatiale et les contraintes physiques, est essentielle pour interpréter les réponses microbiennes dans des environnements liés à l’exploration spatiale et aux futures infrastructures de support de vie. Enfin, ce travail illustre comment des recherches motivées par les contraintes du vol spatial peuvent contribuer à définir des principes applicables à la compréhension et au contrôle des biofilms dans des domaines médicaux, industriels et environnementaux sur Terre.