Du litre à l'analyse Du litre à l'analyse : sur les traces des micro-organismes dangereux pour la santé présents dans l'eau

Les contaminations microbiologiques dangereuses pour la santé présentes dans l'eau doivent être détectées rapidement. La détection des légionelles dans l'eau potable en est un exemple typique. Or, un temps précieux s'écoule souvent entre le prélèvement de l'échantillon et l'obtention du résultat. Des chercheurs de l'institut Fraunhofer ont désormais mis au point une nouvelle plateforme qui automatise cette chaîne de processus et la délocalise directement sur le lieu d'intervention.

Qu'il s'agisse d'eau potable, de circuits de refroidissement, de piscines ou de fluides de procédés industriels : les micro-organismes pathogènes peuvent être présents pratiquement partout. Pour les exploitants d’installations hydrauliques et de processus de production, cela représente un défi permanent. Les contaminations doivent être détectées à un stade précoce, avant qu’elles n’entraînent des risques sanitaires, des problèmes de qualité ou des pertes de production.

Le prélèvement d'échantillons d'eau est plus complexe que beaucoup ne le pensent

La mise en évidence de telles contaminations est toutefois souvent fastidieuse. Selon l'application, différentes méthodes sont utilisées : les méthodes basées sur la culture sont largement reconnues par la réglementation et fournissent des informations sur les micro-organismes cultivables, mais il faut souvent plusieurs jours pour obtenir les résultats. Les méthodes de biologie moléculaire, telles que la qPCR, gagnent de plus en plus en importance, car elles permettent d’identifier les micro-organismes de manière rapide et spécifique. Mais là encore, de nombreuses étapes de préparation doivent être effectuées avant qu’un échantillon puisse être analysé. L'échantillon d'eau est prélevé, transporté au laboratoire, puis traité sur place. Ce n'est qu'ensuite que commence l'analyse proprement dite. Le choix de la méthode utilisée dépend de la problématique posée et des exigences réglementaires.

Ces deux processus constituent un inconvénient majeur, en particulier lorsque le temps est compté. Il faut souvent prendre des décisions cruciales avant même de disposer de résultats fiables. Il en résulte des retards dans la mise en place de contre-mesures, des réserves de sécurité supplémentaires ou des restrictions d'exploitation inutiles.

Le véritable défi réside dans la mise en évidence

Le débat sur l'analyse rapide de l'eau se résume souvent au choix de la méthode de détection. En réalité, il existe aujourd'hui différentes approches – des méthodes basées sur la culture à la cytométrie en flux en passant par la qPCR –, qui présentent chacune des atouts spécifiques. Indépendamment de la méthode de détection proprement dite, un défi demeure toutefois : pour détecter de manière fiable de faibles concentrations de micro-organismes dans de grands volumes d’eau, la qualité de la préparation des échantillons est déterminante pour la pertinence de l’analyse.

Les micro-organismes ne sont souvent présents dans l'eau qu'en très faibles concentrations. C'est pourquoi il est souvent nécessaire d'analyser de grands volumes d'échantillons afin de pouvoir détecter de manière fiable même les plus faibles concentrations. L'objectif est d'obtenir, à partir d'un litre d'eau, un échantillon de petit volume adapté aux techniques de biologie moléculaire.

Pour cela, plusieurs étapes sont nécessaires. Les organismes cibles présents dans l'échantillon doivent être concentrés et les composants indésirables éliminés de l'échantillon. Viennent ensuite la libération des informations génétiques et la préparation en vue de la détection proprement dite. Chacune de ces étapes prend du temps et influe sur la qualité du résultat. À cela s’ajoute le fait que de nombreuses étapes sont encore réalisées manuellement. Cela augmente les besoins en personnel et complique la mise en œuvre standardisée en dehors des laboratoires spécialisés. C’est précisément pour cette raison que la préparation des échantillons détermine souvent si une solution d’analyse est applicable au quotidien.

De la préparation manuelle des échantillons à la plateforme intégrée

Les chercheurs du Fraunhofer IMM travaillent depuis de nombreuses années sur des systèmes miniaturisés d'analyse et de préparation d'échantillons. L'objectif est d'automatiser des processus de laboratoire complexes et de les intégrer dans des appareils compacts.

C'est précisément cette approche qui est adoptée avec la plateforme InBaDtec pour l'analyse microbiologique de l'eau. La plateforme repose sur un concept modulaire dans lequel les différentes étapes du processus sont regroupées au sein d'une architecture système intégrée. Au lieu de considérer séparément la préparation des échantillons et l’analyse, on obtient un flux de travail continu, de l’échantillon d’eau jusqu’au résultat : après le prélèvement, un module de purification élimine d’abord les particules indésirables. Ensuite, un module de concentration réduit le volume de l'échantillon, initialement d'un litre ou plus, à un volume de l'ordre du microlitre adapté à la PCR, tout en enrichissant simultanément les organismes cibles. Vient ensuite la lyse cellulaire pour libérer les acides nucléiques. Ceux-ci sont mélangés à des réactifs PCR lyophilisés déjà chargés dans l’appareil et peuvent ensuite être analysés par qPCR. L’ensemble de la chaîne de processus se déroule de manière automatisée au sein de l’appareil.

Contrairement à de nombreux systèmes complets fermés, InBaDtec est conçu comme une plateforme ouverte . La préparation automatisée des échantillons peut être combinée avec des systèmes PCR courants sur le marché et s'adapte à différentes exigences. Les exploitants peuvent continuer à utiliser leurs infrastructures d'analyse existantes tout en bénéficiant d'une préparation automatisée des échantillons. Cela réduit à la fois les obstacles à la mise en place et les besoins en personnel. L'analyse peut être effectuée directement par le personnel d'exploitation, sans qu'il soit nécessaire d'envoyer chaque échantillon à un laboratoire spécialisé.

L'architecture modulaire offre en outre une marge de manœuvre pour de futures extensions. L'un des inconvénients de la qPCR est qu'elle détecte l'ADN de micro-organismes vivants et morts. À terme, InBaDtec pourra être complété par des procédés permettant de différencier les micro-organismes vivants des micro-organismes morts. Le Fraunhofer IMM a développé et validé cette méthode de manière indépendante, mais elle n’est pas encore intégrée au prototype portable d’InBaDtec. Parallèlement, il est également possible de détecter des micro-organismes viables mais non cultivables (VBNC), qui ne peuvent pas être mis en évidence par la méthode de culture standard. C’est précisément dans les applications où les méthodes de culture classiques atteignent leurs limites que cela renforce la pertinence de l’analyse, car il est ainsi possible de détecter des micro-organismes potentiellement pertinents qui ne sont pas détectables par les méthodes basées sur la culture.

L'accent est mis ici sur les applications en dehors des laboratoires classiques. L'analyse doit avoir lieu là où l'échantillon est prélevé : directement sur l'installation, au niveau du circuit d'eau ou sur le terrain. Un processus de laboratoire en plusieurs étapes se transforme ainsi en une approche automatisée « au point d'utilisation ».

La concentration, une technologie clé

La concentration revêt ici une importance particulière. Elle permet de détecter de manière fiable de faibles quantités de micro-organismes. Sans cette étape, même les techniques de biologie moléculaire les plus sensibles atteignent rapidement leurs limites pratiques.

Le système traite des volumes d'échantillons d'un litre ou plus et concentre automatiquement les micro-organismes qu'ils contiennent jusqu'à un volume d'analyse de l'ordre du microlitre. Ce n'est qu'ainsi qu'il est possible de disposer d'une quantité suffisante d'organismes cibles pour une détection moléculaire sensible. Parallèlement, les différentes étapes du processus sont miniaturisées et intégrées dans un système compact. Cela signifie que la préparation des échantillons ne s'effectue plus en laboratoire, mais directement dans l'appareil.

La concentration passe ainsi d'une étape préparatoire à une fonction centrale de l'ensemble de la chaîne d'analyse.

Des résultats là où on en a besoin

La combinaison de la préparation automatisée des échantillons et de l'analyse en biologie moléculaire ouvre de nouvelles perspectives pour la surveillance de l'eau.

Les avantages vont toutefois au-delà de l'analyse mobile sur site. Grâce à son concept de plateforme modulaire, InBaDtec puisse, à terme, être intégré directement dans les réseaux de distribution d’eau ou les installations de procédés industriels via des raccords fluidiques et des vannes. La plateforme évolue ainsi d’un système au point d’utilisation vers une solution de surveillance en ligne continue. Les variations de la qualité microbiologique de l’eau peuvent être détectées immédiatement, sans qu’un prélèvement manuel ne soit nécessaire au préalable.

Cela représente un avantage considérable pour les exploitants d'installations d'eau potable, de systèmes de refroidissement ou de procédés industriels. Les situations critiques peuvent être évaluées plus rapidement et les mesures nécessaires mises en œuvre sans délai. Parallèlement, la plateforme crée les conditions nécessaires à une exploitation plus rentable. La réduction des tâches manuelles, la diminution des effectifs et l'automatisation des processus allègent la charge de travail liée à la surveillance microbiologique.

Des domaines d'application qui vont bien au-delà de l'analyse de l'eau potable

Le besoin d'analyses microbiologiques rapides ne se limite pas, loin s'en faut, à la surveillance de l'eau potable ou à la détection des légionelles. Dans les systèmes d'eau de refroidissement, les eaux de baignade et de piscine, les circuits de procédés industriels ou les bioréacteurs, il est également indispensable de détecter de manière fiable la présence de contaminations microbiologiques.

À cela s'ajoutent des applications dans l'industrie agroalimentaire ainsi que dans les environnements de production pharmaceutiques. Partout où l'eau joue un rôle central, le besoin d'analyses rapides et standardisées ne cesse de croître.

L'architecture modulaire de la plateforme InBaDtec permet de mettre en œuvre différentes applications sur une base technologique commune.

L'avenir est décentralisé

Le développement de analyse de l'eau s'oriente de plus en plus vers l'automatisation et la décentralisation. Aujourd'hui, les utilisateurs attendent non seulement des résultats précis, mais aussi des temps de réponse courts et une grande facilité d'utilisation. Parallèlement, on observe une volonté croissante de rapprocher les analyses du processus lui-même. Les plateformes intégrées joueront donc un rôle important à l’avenir.

Ils combinent la préparation des échantillons, les méthodes de détection et l'analyse numérique au sein d'un même système, créant ainsi les conditions nécessaires à une prise de décision rapide. À terme, ces systèmes pourraient être étendus afin, par exemple, de distinguer différents états physiologiques des micro-organismes ou d'intégrer d'autres étapes d'analyse.

Une chose est déjà certaine aujourd'hui : L'avenir de l'analyse microbiologique de l'eau ne sera pas déterminé par une seule méthode de détection. Les méthodes basées sur la culture, la qPCR et d’autres technologies continueront à avoir leurs domaines d’application respectifs à l’avenir. Ce qui sera déterminant, c’est plutôt d’automatiser la préparation des échantillons, jusqu’à présent réalisée en laboratoire, et de l’intégrer directement dans le processus. C’est précisément cette approche de plateforme que poursuit le Fraunhofer IMM avec InBaDtec : de la concentration automatisée à la connexion flexible avec les systèmes PCR disponibles sur le marché, en passant par la perspective d’une surveillance en continu et en ligne de la qualité microbiologique de l’eau.

Cet article a d'abord été publié sur notre marque sœur LABORPRAXIS