Concept d’artiste de cette recherche qui étudie les chances d’acquisition d’une nouvelle espèce par un écosystème de microbiome. Crédit : Navid Marvi, avec l’aimable autorisation de la Carnegie Institution for Science.
Le rôle du hasard dans la composition du microbiome.
Le microbiome intestinal est un écosystème composé de centaines ou de milliers d’espèces microbiennes vivant dans le corps humain. Ces populations affectent notre santé, notre fertilité et même notre longévité. Mais comment y arrivent-elles ?
Un nouveau travail de collaboration dirigé par William Ludington de Carnegie révèle des détails cruciaux sur la façon dont les communautés bactériennes qui composent chacun de nos microbiomes intestinaux individuels sont acquises. Ces résultats, publiés dans le Proceedings of the National Academy of Sciencesont des implications majeures pour des traitements tels que les transplantations fécales et l’administration de probiotiques.
“Il existe une énorme variation de la composition du microbiome entre les individus”, a expliqué Ludington. “Par exemple, si vous regardez la somme totale de toutes les espèces bactériennes qui sont adaptées pour vivre dans le système gastro-intestinal des humains, la plupart d’entre elles ne sont pas présentes chez une majorité de personnes. C’est dire à quel point ces populations microbiennes intestinales sont incroyablement diverses.”
Une combinaison d’éléments, dont la génétique, le régime alimentaire et l’environnement, contribue aux différences entre nos microbiomes. Mais il n’y a pas de lien direct entre ces apports et les espèces qui colonisent avec succès nos intestins. Chaque fois que nous sommes exposés à un nouveau microbe, il y a un élément de hasard qui détermine s’il sera acquis et deviendra un membre de notre écosystème intestinal. Ludington et ses collaborateurs ont cherché à comprendre les facteurs qui déterminent les chances de ce processus de colonisation.
Bien que de nombreux chercheurs aient étudié la composition du microbiome dans des populations naturelles, peu de tentatives ont été faites pour utiliser un environnement contrôlé afin de révéler le processus par lequel de nouvelles espèces rejoignent avec succès l’écosystème microbien intestinal. Ludington et ses collaborateurs – Eric Jones et David Sivak de l’Université Simon Fraser et Jean Carlson de l’Université de Santa Barbara – ont développé un nouveau modèle écologique pour comprendre comment nous acquérons le mélange spécifique de microbes qui sont propres à nos communautés intestinales particulières.
En travaillant sur les microbiomes comparativement beaucoup moins compliqués des mouches à fruits, l’équipe a montré que l’exposition à une espèce microbienne ne garantit pas son incorporation réussie dans l’écosystème du microbiome. Ils ont découvert que l’état du microbiome, et les interactions entre les espèces membres du microbiome existant, déterminent les chances qu’une bactérie nouvellement rencontrée soit ajoutée au mélange.
“Même parmi des mouches génétiquement identiques qui vivaient dans le même logement et étaient nourries avec le même régime alimentaire, nous avons constaté des variations dans la composition du microbiome”, a déclaré Sivak.
Les chercheurs ont ensuite utilisé ces résultats pour construire des modèles mathématiques permettant d’étudier des scénarios de plus en plus complexes d’acquisition de nouvelles espèces de microbiome, ce qui leur a permis de comprendre les facteurs communautaires qui déterminent l’appartenance à l’écosystème du microbiome.
“Pensez à la composition du microbiome comme à une grande fête où la dynamique sociale détermine qui part tôt et qui reste jusqu’à l’aube”, a déclaré Ludington.
Ajouté Jones, le premier auteur de l’article : “La colonisation bactérienne dépend d’un certain nombre de facteurs complexes que nous commençons tout juste à comprendre. Nous avons montré, par exemple, que certains groupes d’espèces facilitent la colonisation de l’autre et sont donc plus susceptibles de coexister.”
Ces interactions de groupe ont des implications passionnantes sur la façon dont les microbiomes sont transmis entre les individus, y compris sur la façon dont les professionnels de la santé pourraient conduire le microbiome d’une personne vers une composition désirée.
“La beauté de l’approche mathématique que nous avons déployée est qu’elle reconnaît que la colonisation est un coup de dé, mais nous sommes maintenant en mesure d’attribuer la pondération du dé aux interactions biologiques avec une base moléculaire qui a été affinée par l’évolution”, a déclaré Carlson.
Les résultats de l’équipe fournissent un cadre pour l’examen quantitatif des mécanismes dont dépendent les thérapies telles que les transplantations fécales et les probiotiques, ce qui permet de progresser vers l’objectif final d’une médecine personnalisée du microbiome.
Référence : “Stochastic microbiome assembly depends on context” par Eric W. Jones, Jean M. Carlson, David A. Sivak et William B. Ludington, 8 février 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2115877119
Ce travail a étésoutenu par la Banting Postdoctoral Fellowship, la Pacific Institute for the Mathematical Sciences Postdoctoral Fellowship, la David and Lucile Packard Foundation, l’Institute for Collaborative Biotechnologies, le U.S. Army Research Office, une subvention à la découverte du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le programme des chaires de recherche du Canada, une subvention des National Institutes of Health, une bourse de la National Science Foundation Integrative Organismal Systems, la dotation de la Carnegie Institution for Science et une subvention de la Carnegie Institution of Canada.
