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Les polysaccharides capsulaires bactériens dotés d'une activité antibiofilm partagent des propriétés biophysiques et électrocinétiques communes

Jul 13, 2023Jul 13, 2023

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 2553 (2023) Citer cet article

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Les biofilms bactériens sont des communautés attachées à la surface et difficiles à éradiquer en raison d'une tolérance élevée aux agents antimicrobiens. L'utilisation de composés tensioactifs non biocides pour empêcher l'adhésion et l'agrégation initiales d'agents pathogènes bactériens est une alternative prometteuse aux traitements antibiotiques et plusieurs composés antibiofilm ont été identifiés, notamment certains polysaccharides capsulaires libérés par diverses bactéries. Cependant, le manque de compréhension chimique et mécanistique de l’activité de ces polymères limite leur utilisation pour contrôler la formation de biofilms. Ici, nous examinons une collection de 31 polysaccharides capsulaires purifiés et identifions d’abord sept nouveaux composés ayant une activité non biocide contre les biofilms d’Escherichia coli et/ou de Staphylococcus aureus. Nous mesurons et interprétons théoriquement la mobilité électrophorétique d'un sous-ensemble de 21 polysaccharides capsulaires dans des conditions de champ électrique appliqué, et nous montrons que les polymères de polysaccharides actifs et inactifs présentent des propriétés électrocinétiques distinctes et que toutes les macromolécules actives partagent des caractéristiques de viscosité intrinsèque élevées. Malgré l’absence de motif moléculaire spécifique associé aux propriétés antibiofilm, l’utilisation de critères comprenant une densité élevée de charges électrostatiques et une perméabilité à l’écoulement des fluides nous permet d’identifier deux polysaccharides capsulaires supplémentaires dotés d’une activité antibiofilm à large spectre. Notre étude fournit donc un aperçu des propriétés biophysiques clés distinguant les polysaccharides actifs des polysaccharides inactifs. La caractérisation d'une signature électrocinétique distincte associée à l'activité antibiofilm ouvre de nouvelles perspectives pour identifier ou concevoir des macromolécules tensioactives non biocides afin de contrôler la formation de biofilm dans des contextes médicaux et industriels.

Les biofilms bactériens sont des bactéries répandues attachées à des surfaces ou agrégées qui peuvent avoir un impact négatif sur les activités humaines lorsqu'elles se développent sur des surfaces médicales ou industrielles1,2. En raison de leur haute tolérance aux antibiotiques, les biofilms sont difficiles à éradiquer et la prévention des infections associées aux biofilms constitue un enjeu sanitaire et économique majeur3,4. Les stratégies visant à prévenir la formation de biofilms ciblent souvent les premières étapes de l'adhésion bactérienne en utilisant des surfaces recouvertes d'agents biocides tels que des antibiotiques à large spectre ou des métaux lourds5. Ces approches biocides sont limitées par l’accumulation rapide de bactéries mortes et de débris organiques, ce qui réduit l’activité des surfaces revêtues envers les nouvelles cellules entrantes. De plus, l’utilisation de surfaces libérant des biocides tels que des antibiotiques est associée à une sélection inquiétante de résistance aux antibiotiques6.

Plusieurs études ont montré que des stratégies anti-adhésion non antibiotiques pourraient également interférer efficacement avec la formation de biofilm bactérien7,8,9,10,11,12,13,14. La conception de matériaux bio-inspirés dotés de propriétés de surface anti-adhésives a été proposée pour constituer une solution efficace pour protéger les équipements de soins des patients de la colonisation pathogène, et ainsi empêcher les étapes clés de l'infection, depuis le contact initial avec la surface jusqu'aux interactions ultérieures entre bactéries15,16. ,17. Des stratégies non biocides et biosourcées sont également activement explorées, notamment des approches empêchant et/ou perturbant les biofilms à l'aide d'inhibiteurs de quorum sensing qui interfèrent avec les communications bactériennes18. Les bactéries sécrètent également des biosurfactants modifiant les propriétés de surface des matériaux telles que la mouillabilité et la charge19,20. Ces composés tensioactifs réduisent les contacts de surface et contribuent à la motilité bactérienne ou sont impliqués dans des interactions compétitives entre bactéries12. Alors que bon nombre de ces molécules correspondent à de petits lipopeptides, des études récentes ont montré que les polysaccharides capsulaires de haut poids moléculaire libérés par diverses bactéries pourraient empêcher l’adhésion conduisant à une agrégation cellulaire ultérieure et à la formation d’un biofilm par un large éventail de bactéries Gram+ et Gram-. Ceux-ci incluent plusieurs agents pathogènes nosocomiaux tels que Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis et Enterococcus faecalis7,9,11,21,22,23,24.

7 dl/g) intrinsic viscosity (Supplementary Fig. 5). Moreover, molecular weight Mw and intrinsic viscosity [η] of polysaccharides with intermediate narrow-spectrum activity (PnPS18C and PnPS12F) cover range of values measured for both broad-spectrum active and non-active macromolecules. To determine whether high intrinsic viscosity could be indicative of potential antibiofilm activity, we screened additional purified bacterial capsular polysaccharides of our collection and we identified two such non-biocidal polysaccharides, MenY and MenW135 (Supplementary Fig. 3), presenting high intrinsic viscosity (Table 1 and Supplementary Fig. 5). Although MenY and MenW135 differ in their primary composition from Vi, MenA, MenC, and G2cps, they both exhibited similar broad-spectrum antibiofilm activity (Fig. 4 and Supplementary Fig. 6). These results indicated that specific polysaccharide conformation, reflected by a high intrinsic viscosity29, could be a determinant of antibiofilm activity./p>30 mM). This property is the direct consequence of the penetration of the electroosmotic flow within the charged polysaccharide globular structure33. Further qualitative inspection of the sets of electrokinetic data collected for the polysaccharides of interest revealed two main electrokinetic patterns. The first one corresponded to the 11 tested inactive macromolecules whose electrophoretic mobility systematically tends to a value of μ* satisfying 0.5 < │μ*│ <1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1. For these macromolecules, the absolute value of the electrophoretic mobility decreases with increasing electrolyte concentration as a result of screening of the polysaccharide charges by the electrolyte ions. This feature is also shared by the active macromolecules (PnPS3, PRP and G2cps) with the noticeable difference that their asymptotic mobility value │μ*│ is significantly larger with μ* now satisfying the inequality │μ*│ >2 × 10−8 m2 V−1 s−1 (Fig. 5A). The second observed electrokinetic pattern applies to macromolecules with narrow (PnPS18C and PnPS12F) or broad-spectrum (Vi, MenA, MenC, MenY and MenW135) activities for which the electrophoretic mobility μ moderately or poorly depends on background electrolyte concentration. Strikingly, active macromolecules with narrow-spectrum antibiofilm activity are defined by electrophoretic mobilities (│μ*│ <0.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) that are much lower in magnitude compared to those measured for broad-spectrum antibiofilm polysaccharides (Vi, MenA, MenC, MenY, and MenW135, │μ*│ >1.5 × 10−8 m2 V−1 s−1) (Fig. 5B). These results demonstrated clearly that active capsular polysaccharides are characterized by a specific electrokinetic signature./p>