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Des biofilms dans l’espace : la microscopie confocale à balayage laser aide la NASA à faire décoller une recherche expérimentale

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Un microscope confocal à balayage laser dans la recherche de biofilms

Notre engagement est de concevoir des microscopes qui peuvent contribuer à rendre votre monde plus sûr et plus sain. Désormais, grâce à de nouveaux travaux de recherche conduits lors de missions spatiales de longue durée, notre technologie de microscope confocal à balayage laser aide les scientifiques à étudier des micro-organismes dans l’espace.

Un de ces exemples est une recherche expérimentale de la NASA consistant à étudier les biofilms bactériens et leur impact sur la santé de l’équipage et sur la sécurité des systèmes. Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur cette expérience menée à bord d’un vol spatial et comment la microscopie confocale a contribué à son décollage.

Étude des biofilms trouvés sur Terre et dans l’espace

Les biofilms, des communautés bactériennes attachées à une surface, se trouvent partout autour de nous. Parmi les exemples les plus courants de biofilms sur Terre, on peut citer la substance visqueuse sur les roches de rivière, la « crasse » dans les canalisations de votre évier ou la plaque qui se forme sur nos dents.

Mais les bactéries peuvent-elles s’attacher à des surfaces sous faible gravité ?

En 1998, Robert « Bob » McLean, professeur à Texas State University, a entrepris de répondre à cette question à l’occasion de l’aide qu’il apportait à un groupe d’élèves de CE2 pour réaliser leur projet scientifique. Leur expérience sur les biofilms en microgravité a décollé à bord de la navette spatiale STS-95, lancée le 29 octobre 1998 depuis le Kennedy Space Center en Floride.

Expérience sur les biofilms en microgravité dans la navette STS-95

Bob McLean et ses deux fils recueillent les résultats de l’expérience sur les biofilms en microgravité dans la navette STS-95

Leur travail a conduit à la première publication montrant que les bactéries peuvent former des biofilms en microgravité, une découverte qui a attiré l’attention de la NASA (National Aeronautics and Space Administration).

L’expérience « Bacterial Adhesion and Corrosion (BAC) » à bord d’un vaisseau spatial

Alors que les astronautes commencent à explorer des destinations lointaines grâce à des vols de longue durée, l’une des priorités de la NASA est de veiller à leur sécurité et à leur santé tout au long de leurs missions. Préoccupés par la formation de biofilms sur les engins spatiaux, ils se sont tournés vers Bob pour effectuer de nouvelles recherches.

L’expérience  « Bacterial Adhesion and Corrosion (BAC) » a décollé en décembre 2020 à bord de la navette SpaceX CRS-21 avec Bob comme chercheur principal et Cheryl A. Nickerson de l’Arizona State University comme co-chercheuse principale. Les autres membres de leur équipe comprennent Starla Thornhill de Texas State University, Jenn Barilla, Jiseon Yang, Rich Davis et Sandhya Gangaraju d’Arizona State University, son fils Alistair McLean et Mark Ott de la NASA.

L’équipe étudie l’impact des vols spatiaux sur la formation de biofilms à l’aide de la microscopie confocale et d’autres technologies. Grâce à cette expérience, il sera possible d’apporter des réponses à des questions importantes sur les biofilms dans l’espace, par exemple :

  • Les biofilms peuvent-ils entraîner la corrosion des surfaces utilisées dans le circuit d’eau de la station spatiale internationale (ISS) ?
  • Quelle est l’efficacité des désinfectants pour éliminer les biofilms ?
  • Quels gènes bactériens sont impliqués dans la croissance des biofilms et dans la corrosion de surfaces en acier inoxydable dans des conditions de microgravité ?

Les risques des biofilms pour la santé des équipages et la sécurité des vols spatiaux

Il est essentiel de trouver des réponses à ces questions, car les biofilms peuvent être difficiles à éliminer, ce qui suscite des inquiétudes quant à la santé de l’équipage lors de voyages spatiaux de longue durée. Bob explique : « Le problème pour éliminer d’une surface les bactéries qui y adhèrent est qu’elles ont tendance à être très résistantes aux médicaments et aux désinfectants. »

Les micro-organismes, tels que Pseudomonas aeruginosa et Escherichia coli (E. coli), utilisés dans l’expérience BAC forment facilement des biofilms qui :

  • sont connus pour devenir très résistants aux méthodes de nettoyages traditionnelles ;
  • peuvent contaminer les systèmes de traitement de l’eau, ce qui peut conduire à des problèmes de corrosion et d’encrassement biologique.

Contrôler la croissance microbienne dans le système de traitement de l’eau est essentiel pour produire de l’eau potable pour la boisson et l’hygiène personnelle lors de vols spatiaux de longue durée.

« Envoyer constamment de l’eau fraîche est bien trop coûteux, alors ils recyclent toute l’eau. L’urine et l’humidité de la respiration sont récupérées, traitées, purifiées et réutilisées comme eau potable. Comme il y a toujours des bactéries associées à tous les humains (y compris l’équipage) et à la plupart des environnements, vous allez avoir des bactéries qui vont, à un moment donné, coloniser et être sources de problèmes » explique Bob.

La formation de biofilms joue également un rôle important dans le processus de développement de maladies dues à une infection par des micro-organismes. S’ils ne sont pas contrôlés, les biofilms microbiens peuvent endommager les systèmes de survie et poser un risque pour la santé des astronautes.

L’équipement est une autre source d’inquiétude.

« Outre le danger pour la santé de l’équipage, les biofilms peuvent également endommager l’équipement du vaisseau spatial. Si nous allons sur Mars, il faut s’attendre à des expéditions de deux à trois ans. Suivant la position des planètes, le vol pour aller sur Mars peut durer entre quatre et six mois. Et à un moment, la Terre et Mars seront séparées par le Soleil. Vous ne pouvez pas y aller, faire demi-tour et revenir à la maison. Vous devez rester sur place pendant au moins un an avant que les planètes ne s’alignent de nouveau. Il faut donc tenir compte de la santé de l’équipage et de l’état de la navette pendant cette période » précise Bob.

Cette expérience va les aider à développer de nouvelles stratégies d’atténuation des biofilms lors de vols spatiaux de longue durée.

Bob McLean donne un coup de main pour l’inoculation du vol spatial au Kennedy Space Center. Il est assisté par deux membres de son équipe de l’Arizona State University (Jiseon Yang debout et Sandhya Gangaraju assise).

Préparation de l’expérience à bord d’un vol spatial grâce à la microscopie confocale

Pour préparer l’expérience à bord du vol spatial, Bob et son équipe ont utilisé un microscope confocal à balayage laser FV1000 d’Olympus ainsi qu’un objectif à immersion dans l’eau 60X à la Texas State University pour prendre des images 3D de biofilms bactériens sur des matériaux utilisés dans le système d’eau de l’ISS.

Ces images leur ont permis d’identifier l’emplacement des biofilms, les populations bactériennes et la structure des biofilms hydratés. Les bactéries ont pu être facilement repérées à l’aide d’un microscope confocal, car elles possédaient des gènes codant des protéines fluorescentes.

Par exemple, Pseudomonas aeruginosa exprimait la protéine fluorescente verte (GFP) et Escherichia coli exprimait mCherry. Vous pouvez clairement distinguer les couleurs vertes et rouges dans les images ci-dessous :

Biofilm vu au microscope

Images confocales de biofilms sur des matériaux de la navette spatiale. À gauche : biofilms (Pseudomonas aeruginosa, en vert) sur du téflon. À droite : biofilms (Escherichia coli, en rouge et Pseudomonas aeruginosa, en vert) sur de l’acier inoxydable.

Ces données expérimentales ont permis de franchir une étape importante : la NASA a autorisé l’expérience à décoller à bord de la navette SpaceX CRS-21. Aujourd’hui, ils continuent d’utiliser un microscope confocal Olympus à la Texas State University pour poursuivre les recherches pour l’expérience sur les biofilms et d’autres projets.

Les avantages de l’utilisation de microscopes confocaux à balayage laser dans la recherche sur les biofilms

Bob et son équipe à la Texas State University sont passés à un microscope confocal à balayage laser FV3000. Alissa Savage, qui dirige la plateforme d’analyse des matériaux de la Texas State University, l’Analysis Research Service Center (ARSC), explique pourquoi elle aime utiliser le microscope confocal d’Olympus.

Alissa : « Il y a deux aspects majeurs. Son utilisation est facile. Je suis passée du FV1000 au FV3000, et je peux dire que c’est bien plus ergonomique. Un autre bon point est la disponibilité des techniciens pour nous aider dès qu’il y a une question ou un problème avec la recherche. Ce sont ces deux choses qui font que, pour moi, Olympus se démarque de ses concurrents. »

Un microscope confocal à balayage laser pour la recherche sur les biofilms

Alissa Savage forme une nouvelle utilisatrice du microscope confocal à balayage laser FV3000.

Bob a souligné pourquoi l’imagerie confocale était essentielle à leurs recherches sur les biofilms.

« Bien que la microscopie électronique nous permette d’avoir une meilleure résolution, l’avantage de la microscopie confocale est qu’elle nous permet d’observer des matériaux hydratés et même des organismes vivants sans artefact de déshydratation dû au vide extrêmement poussé nécessaire pour les microscopies électroniques à transmission et à balayage. »

« Cela fonctionne parfaitement avec nos échantillons, » ajoute-t-il.

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Responsable, Groupe des applications en sciences de la vie

James Lopez a obtenu son doctorat en sciences biomédicales de l’université de Chicago en 2010. Après avoir passé une dizaine d’années à travailler sur l’imagerie calcique, la technique de transfert d’énergie entre molécules fluorescentes (FRET), l’imagerie de cellules vivantes et l’imagerie intravitale, il a rejoint Evident en tant que représentant commercial pour les systèmes de microscopie confocale et multiphotonique. Il a ensuite intégré le groupe des applications en sciences de la vie d’Evident pour les systèmes de microscopie confocale et multiphotonique. Aujourd’hui, il dirige le groupe des applications en sciences de la vie pour les marchés américain, canadien et latino-américain.

juil. 15 2021
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