Les micro-organismes vivent rarement sous forme de cellules isolées. Dans la nature comme dans les environnements industriels, alimentaires, médicaux ou spatiaux, ils s’organisent en communautés structurées dont l’architecture influence profondément leur fonctionnement. Les biofilms constituent l’un des modèles les plus fascinants de cette organisation spatiale, où les interactions entre cellules, la matrice extracellulaire et le microenvironnement donnent naissance à des propriétés collectives qui ne peuvent être comprises à l’échelle de la cellule individuelle.
L’équipe B3D (Biofilms & Spatially Organized Communities) cherche à comprendre comment l’organisation spatiale façonne le comportement des communautés microbiennes, depuis la cellule unique jusqu’à l’architecture tridimensionnelle des biofilms. En combinant microbiologie, génétique, imagerie multimodale, biophysique, écologie microbienne et analyse quantitative des images, nous explorons les mécanismes qui gouvernent l’émergence de ces propriétés collectives ainsi que leurs conséquences sur l’adaptation, la résilience et les interactions entre micro-organismes.
Ces connaissances fondamentales alimentent le développement de nouvelles stratégies permettant de contrôler les communautés microbiennes lorsqu’elles sont indésirables, mais également de les exploiter lorsqu’elles présentent un intérêt pour l’alimentation, la santé, les biotechnologies ou les environnements extrêmes. Notre recherche s’appuie sur de solides collaborations interdisciplinaires et des partenariats académiques et industriels afin de transformer une meilleure compréhension des communautés microbiennes structurées en innovations concrètes.
Comprendre les biofilms nécessite de relier plusieurs niveaux d’organisation : cellules, matrice extracellulaire, architecture 3D et environnement. Réalisée en collaboration entre microbiologie et illustration scientifique, cette animation invite à explorer les communautés microbiennes à travers les échelles et à porter un regard renouvelé sur leur organisation.
Les communautés microbiennes ne sont pas de simples assemblages de cellules. Leur organisation spatiale façonne profondément leur physiologie, leurs interactions et leurs fonctions collectives. Notre objectif est de comprendre comment l’architecture des biofilms et des autres communautés structurées génère des propriétés émergentes qui ne peuvent être expliquées à partir du comportement des cellules individuelles.
Pour répondre à cette question, nous développons une approche intégrée combinant imagerie multidimensionnelle, génétique, transcriptomique spatiale, biophysique et écologie microbienne. Ces approches nous permettent de visualiser, à l’échelle de la cellule unique, l’organisation des populations, les gradients physiologiques, les programmes d’expression génique et les interactions qui émergent au sein des communautés.
Nos travaux portent notamment sur la différenciation cellulaire, l’hétérogénéité phénotypique, les interactions entre espèces, la motilité collective et les mécanismes qui gouvernent la résilience, l’adaptation et l’évolution des communautés microbiennes organisées dans l’espace. Cette compréhension fondamentale constitue le socle du développement de nouvelles stratégies de contrôle ou d’exploitation des biofilms dans les domaines de l’alimentation, de la santé et des biotechnologies.
Les biofilms et les communautés microbiennes organisées dans l’espace répondent différemment aux traitements que les cellules cultivées en suspension. Leur architecture tridimensionnelle, leur matrice extracellulaire, leur hétérogénéité physiologique et les interactions entre populations leur confèrent une remarquable capacité d’adaptation et de résilience. Développer de nouvelles stratégies de contrôle nécessite donc de considérer la communauté comme un système biologique complexe, et non comme une simple collection de cellules.
Nos recherches visent à concevoir des approches innovantes capables d’agir sur ces communautés structurées. Nous étudions les mécanismes de tolérance et de résilience des biofilms, les interactions entre molécules antimicrobiennes, ainsi que les réponses des communautés à différents stress physiques, chimiques ou biologiques. Nous développons également des stratégies de biocontrôle fondées sur les interactions microbiennes, en exploitant des communautés bénéfiques capables de limiter durablement l’installation ou la persistance de microorganismes indésirables.
Ces recherches contribuent au développement de solutions plus efficaces et plus durables pour le contrôle des biofilms dans les secteurs de l’alimentation, de la santé, des biotechnologies et des environnements extrêmes.
L’équipe B3D est partenaire de l’Unité Mixte Technologique ACTIA intitulée « FASTYPERS ». Une Unité Mixte Technologique (UMT) est un outil de partenariat entre des unités de recherche publiques et des instituts techniques, mis en place et soutenu par le Ministère chargé de l’Alimentation sous la coordination de l’ACTIA. Listeria monocytogenes et Salmonella spp sont deux pathogènes alimentaires majeurs. La contamination des aliments peut provenir de matières premières végétales ou animales et de l’environnement de transformation des aliments. La capacité de ces agents pathogènes à s’adapter au stress, à se développer à basse température, à former des biofilms et à persister dans les installations de transformation des aliments pendant des années a fait de ces deux agents pathogènes un défi majeur pour la sécurité alimentaire. Un contrôle efficace de ces souches bactériennes dans la chaîne alimentaire nécessite des programmes de nettoyage et d’assainissement appropriés. Les biocides jouent un rôle important dans la limitation de la propagation des bactéries pathogènes. Cependant, certaines souches peuvent résister aux processus d’assainissement.
L’UMT « FASTYPERS » a été créée en France pour mieux comprendre la contamination des secteurs porcin et laitier par ces deux pathogènes, dans le cadre d’une approche « One Health ». FASTYPERS est un projet de 5 ans impliquant l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail (ANSES), l’Institut national de l’agriculture, de l’alimentation et de l’environnement (INRAE), l’Institut français de sécurité sanitaire des aliments et des produits laitiers (ACTALIA) et l’Institut français du porc et des produits de la viande de porc (IFIP). Les principaux objectifs sont les suivants:
Ces souches seront testées phénotypiquement pour la résistance aux biocides et la formation de biofilms. Des études d’association à l’échelle du génome (GWAS) permettront d’identifier les marqueurs génétiques clés qui contribuent à l’adaptation des souches dans les cultures vivrières. Ces marqueurs seront ensuite utilisés pour développer deux outils moléculaires de pointe, GenoListeria1 et GenoSalmo2. En une seule analyse, ces outils nous aideront à détecter les souches résistantes qui peuvent persister dans les installations de transformation des aliments. Ces tests aideront l’industrie alimentaire à prendre des décisions en matière de transformation des aliments afin d’améliorer la sécurité alimentaire.
L’Institut Micalis de l’INRAE et Lallemand Animal Nutrition (LAN) sont heureux d’annoncer la création du LabCom “Biofilm1Health”, un laboratoire collaboratif dédié à l’exploitation du potentiel des propriétés des biofilms chez les microbes bénéfiques. Ce partenariat innovant associe l’équipe B3D de l’Institut Micalis (UMR 1319 INRAE, AgroParisTech, Université Paris-Saclay) et LAN, avec le soutien de l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), et vise à promouvoir le concept de « One Health », une approche holistique intégrant la santé humaine, animale et environnementale.
La mission du LabCom “Biofilm1Health” est d’explorer les propriétés uniques des biofilms bénéfiques-des communautés microbiennes complexes qui offrent une protection et des fonctionnalités accrues. En étudiant comment ces biofilms peuvent réduire les microorganismes nuisibles dans l’élevage, la production alimentaire et l’environnement, cette initiative vise à fournir des solutions microbiennes durables et efficaces. Un aspect central de ce projet est l’intégration d’une phénotypage avancé des biofilms et de l’intelligence artificielle pour approfondir notre compréhension de ces écosystèmes complexes.
L’objectif ultime est d’optimiser l’application des biofilms bénéfiques pour développer des solutions de nouvelle génération améliorant la durabilité, réduisant le besoin d’interventions chimiques et favorisant le bien-être animal.
Le projet s’articule autour de quatre axes de recherche principaux :
Un partenariat stratégique au service de l’innovation scientifique et industrielle
L’équipe B3D de l’Institut Micalis est reconnue à l’international pour ses recherches pionnières sur les biofilms et les communautés microbiennes spatialement organisées. Ses travaux se concentrent sur la compréhension des relations complexes entre la structure des communautés microbiennes et leurs propriétés émergentes, en particulier dans les environnements associés aux biofilms et à l’agroalimentaire. En explorant l’hétérogénéité phénotypique et les interactions interespèces, l’équipe B3D vise à développer des stratégies préventives et curatives novatrices applicables à des industries variées, allant de la production alimentaire à la santé humaine et à l’aérospatiale.
Lallemand Animal Nutrition est à l’avant-garde des solutions microbiennes pour la nutrition animale depuis les années 1980, notamment avec l’introduction des premiers probiotiques enregistrés en Europe pour l’alimentation des ruminants et des animaux monogastriques. Aujourd’hui, LAN joue un rôle de leader dans la nutrition animale et la gestion environnementale, couvrant des secteurs tels que les ruminants, les porcs, la volaille, l’aquaculture, les chevaux et les animaux de compagnie. Grâce à des collaborations stratégiques et à son laboratoire de Blagnac, LAN continue d’innover en développant des produits exploitant les microorganismes bénéfiques pour la nutrition et la gestion de l’élevage.
Vers l’avenir : une nouvelle ère d’innovation microbienne
La création du LabCom « Biofilm1Health » marque le début d’un nouveau chapitre en matière d’innovation microbienne, où l’expertise combinée de l’INRAE et de Lallemand Animal Nutrition permettra de développer des solutions bénéfiques pour la santé humaine, animale et environnementale. En exploitant le potentiel des biofilms et en utilisant des outils numériques de pointe, cette collaboration contribuera à des pratiques durables dans de nombreuses industries. Les recherches menées au LabCom « Biofilm1Health » promettent non seulement d’approfondir notre compréhension des écosystèmes microbiens, mais aussi d’ouvrir la voie à des solutions transformatrices réduisant les intrants chimiques, améliorant le bien-être animal et promouvant une planète plus saine.
Le LabCom « Biofilm1Health » est financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).
