Introduction
Les bactéries n’organisent pas de dîners et ne racontent pas de blagues, mais elles sont sociales à leur manière. Lorsque la présence de nourriture leur donne l’opportunité de grandir, de se reproduire et d’évoluer, ils formeront rapidement, voire avec impatience, des communautés. Comme une ville portuaire surgissant le long d’une voie navigable, une communauté diversifiée de bactéries et d’autres microbes reconnaîtra une bonne situation pour sa croissance et se développera.
Chaque ville bactérienne a une histoire d’origine. Une cuve de vin fermentant pendant des mois, un biofilm dans les poumons d’un patient atteint de mucoviscidose et une source chaude riche en soufre : tout a commencé avec un ensemble de cellules fondatrices qui ont formé un réseau robuste d’espèces en interaction. Ces communautés peuvent remplir des fonctions biochimiques qu’aucune espèce ne peut remplir seule. Il faut un quorum de Lactocoque et les Streptocoque souches travaillant ensemble pour donner fromage cheddar sa texture et sa saveur. Différentes combinaisons de microbiote intestinal peuvent améliorer ou émousser l'efficacité d'une pilule.
Cependant, il n’existe pas de règles évidentes pour expliquer comment une communauté bactérienne se rassemble ou pourquoi certaines espèces se développent. La plupart des biologistes, lorsqu’ils sont confrontés à la description d’une communauté d’organismes, cataloguent la liste des espèces présentes. Mais le nombre d’espèces bactériennes est si vaste, leur durée de vie si courte et les différences entre deux espèces si infimes que les noms d’espèces ne fournissent pas nécessairement d’informations utiles.
C’est pourquoi un groupe de physiciens devenus microbiologistes tentent d’utiliser des techniques de séquençage du génome à grande échelle pour découvrir les règles universelles qui pourraient régir les communautés bactériennes – une approche big data des microbes. Au lieu de nommer les espèces par leur nom, ils se concentrent sur ce que font les organismes, dans le but de reconnaître quels rôles sont essentiels au sein d’une communauté donnée.
"Il y a une redondance - par exemple, deux espèces peuvent remplir la même fonction - et la même espèce peut remplir des fonctions différentes selon [on] si vous modifiez l'environnement", a déclaré Otto Cordero, microbiologiste au Massachusetts Institute of Technology. "La taxonomie n'est pas aussi informative que la fonction."
L'année dernière, dans le laboratoire de Cordero, des recherches dirigées par le microbiologiste Matti Gralka identifié un ensemble de fonctions microbiennes qui pourraient être prédites sans informations sur les espèces. Après avoir caractérisé le métabolisme de 186 souches bactériennes différentes collectées dans l’océan Atlantique, il a découvert qu’il pouvait prédire les préférences alimentaires de base d’un microbe donné en se basant uniquement sur son génome.
Introduction
Ce modèle permet aux chercheurs de contourner les séquences génétiques impliquées dans la dégradation d’une source de nourriture ou d’une autre. L’équipe de Gralka a découvert qu’elle pouvait prédire l’aliment préféré simplement en mesurant la composition moléculaire du génome. Les résultats ont été publiés dans Nature de microbiologie.
Alors que le domaine en est à ses balbutiements, les écologistes microbiens recherchent des moyens d’évaluer et de décrire rapidement les communautés microbiennes naturelles, que ce soit dans un environnement sauvage ou dans un hôpital. En développant une théorie de l’assemblage microbien, ils espèrent pouvoir apprendre à voir les écologies microscopiques en grande partie invisibles et en évolution rapide qui se déroulent tout autour de nous.
Un domaine sans théorie
La microbiologie a été limitée pendant des siècles par la capacité des scientifiques à voir ce qui se trouvait devant eux. Même au début des années 2000, si un microbiologiste déversait une communauté bactérienne sur une boîte de Pétri, l’identification des diverses espèces, sous-espèces et souches qu’elle contenait représentait une tâche monumentale. Il y avait trop d’organismes mélangés, fluctuant et refluant au fil du temps à mesure que les sources de nourriture disponibles changeaient et que les espèces vivaient et mouraient. Les scientifiques ne pouvaient guère faire plus que d’identifier les colonies individuelles une par une en fonction de leur forme, de leur couleur, de leur morphologie et de leurs besoins en nutriments.
Jusqu’à ces dernières années, le domaine disposait de peu de théories déterminantes pour expliquer comment les microbiomes s’assemblent et d’axiomes solides pour interpréter les résultats expérimentaux. En 2007, un groupe de microbiologistes a écrit dans Nature Examens Microbiologie que cette absence de théorie provenait à la fois d’un manque de données et d’une incapacité à l’échelle du terrain à appliquer la théorie écologique au monde microscopique. Sans théorie, un domaine scientifique n’a ni structure, ni forme, ni pouvoir prédictif, affirment-ils. Un écologiste microbien pourrait faire n’importe quelle observation sur une communauté ; sans théorie pour expliquer son importance, tout pourrait être vrai.
"Parfois, nous nous plaignons du fait que les choses ne sont pas surprenantes en écologie microbienne", a déclaré Image de balise Alvaro Sanchez, écologiste microbien à l'Institut de biologie fonctionnelle et de génomique, un institut conjoint du Conseil national espagnol de la recherche et de l'Université de Salamanque. « Nous n’avons pas d’antécédents solides. Nous n’avons pas de théorie prédictive, donc rien n’est surprenant. »
Cependant, de nouveaux outils génétiques ont conduit à de nouvelles façons de décrire les communautés microbiennes. Le séquençage Sanger, qui a été pendant des décennies la méthode la plus rapide de séquençage des gènes, n’a permis d’identifier les microbes qu’un par un. Puis, au milieu des années 2000, la technologie de séquençage à haut débit est devenue disponible et, dans les années 2010, elle est devenue raisonnablement abordable. Les microbiologistes pouvaient identifier les espèces grâce à l'ADN disponible dans l'échantillon.
Les écologistes microbiens s’en sont déchaînés. "Les gens ordonnaient tout en enfer", a déclaré Glen D'Souza, écologiste microbien à l'École polytechnique fédérale de Zurich. « Le domaine était dominé par la description de qui était là – ce bug était dans cet environnement ; ce bug était dans cet environnement.
Introduction
Soudain, une surabondance de données a révélé une diversité microbienne jusqu’alors inconnue. En 2009, moins de 1,000 2014 génomes bactériens avaient été entièrement séquencés. En XNUMX, il y avait plus de 30,000. Ce chiffre a depuis explosé : fin 2023, il existait 567,228 XNUMX génomes bactériens complets, facilement consultable et disponible pour référence croisée. Aujourd’hui, les bactéries représentent près de 80 % de toutes les données génomiques disponibles.
"Les gens n'avaient tout simplement aucune idée du nombre d'espèces qu'il y aurait", a déclaré Gralka, qui dirige désormais son propre laboratoire à l'Université VU d'Amsterdam. « On ne peut pas très bien les distinguer au microscope. »
Cependant, l’identification d’espèces bactériennes individuelles dans une communauté ne peut pas en dire beaucoup aux scientifiques. Leurs noms ne disent pas nécessairement grand-chose sur la contribution de chaque bug ou sur la manière dont la communauté s’articule.
"Ces communautés sont de grande dimension", a déclaré Jacopo Grilli, écologiste microbien théorique et ancien physicien au Centre international Abdus Salam de physique théorique à Trieste, en Italie. « Si nous essayons de les comprendre, nous devons tenir compte du fait qu’il existe de très nombreuses populations, de nombreuses espèces différentes – quel que soit le sens du terme « espèce » – dans ces communautés. Toutes ces espèces ont leurs propres particularités et coexistent d’une manière ou d’une autre.
Dans 2018, un Sciences papier par Sanchez et son équipe ont donné la permission aux microbiologistes de simplifier leur réflexion. Leurs recherches révolutionnaires ont montré que si l’on prenait du recul et laissait fondre des détails très spécifiques, comme les noms exacts des espèces, on pouvait mieux comprendre la logique d’une communauté bactérienne, comme si l’on regardait une peinture abstraite de loin.
Comme Grilli, Sánchez était physicien avant de se tourner vers l’écologie microbienne. "J'ai décidé de commencer à travailler sur l'écologie et les communautés microbiennes parce que j'ai remarqué qu'au niveau quantitatif, c'était un domaine qui n'avait pas été aussi bien étudié que l'évolution", a déclaré Sanchez.
Pour l’étude, son laboratoire a cultivé des bactéries sauvages à partir de feuilles mortes et de sol autour de New Haven, dans le Connecticut. Ils ont découvert qu’avec le même ensemble de conditions environnementales – mêmes sources de carbone, température, acidité, etc. – toute communauté microbienne parviendra à peu près à la même composition fonctionnelle, quelle que soit la manière dont elle a commencé. Dans ses expériences, avec chaque population, les mêmes niches apparaissaient et étaient remplies encore et encore, mais pas nécessairement par les mêmes espèces de bactéries.
La recherche a changé la façon dont les microbiologistes considéraient la communauté. Lorsque Sanchez comparait des communautés échantillonnées dans le même environnement, les noms des bactéries étaient toujours différents, a déclaré D’Souza. « Mais si vous regardez le contenu fonctionnel des gènes, par exemple, qui fait quoi ? C'est étonnamment similaire », a-t-il déclaré. « Alors peu importe qui vous êtes ; ce que vous faites compte.
Le pouvoir prédictif du génome
En 2018, Gralka venait d’arriver à Boston pour travailler comme postdoctorant dans le laboratoire de Cordero au MIT. Il avait débuté comme biophysicien, étudiant les propriétés physiques des cellules, individuellement et globalement. Il avait décidé de rejoindre le programme de recherche de Cordero parce que les deux chercheurs avaient des visions similaires : développer une compréhension quantitative et globale des communautés microbiennes.
Cordero disposait d'un congélateur rempli de microbes de l'océan Atlantique, que son laboratoire avait utilisé pour faire une découverte intéressante sur la façon dont les communautés microbiennes se forment autour des sources de nourriture, publiée dans Current Biology en 2019. Ils avaient laissé tomber des boules de chitine – un polymère de molécules de sucre répétitives qui composent les coquilles d’insectes – dans des cultures de bactéries cultivées à partir d’échantillons marins. Lorsque les scientifiques ont repêché les boules, ils ont examiné quelles communautés s'étaient formées. Comme on pouvait s’y attendre, les microbes mangeurs de chitine s’accrochaient à la chitine – mais il y avait aussi des bactéries qui ne mangeaient pas de chitine. Ces bactéries semblaient manger les sous-produits rejetés par les mangeurs de chitine. Les mangeurs de chitine et les mangeurs de sous-produits formaient une communauté.
Introduction
Cela intrigua Gralka. Il semblait possible que le type de communauté puisse être prédit à partir de ses seules sources de nourriture : à partir de la source de nourriture d'origine, puis à partir des nouvelles sources créées lorsque les bactéries initiales l'ont détruite. Il se demandait s’il pouvait prédire l’évolution d’une communauté microbienne s’il contrôlait ses conditions initiales.
Puis, juste au moment où il a rejoint le laboratoire de Cordero, « un article est sorti du laboratoire d'Alvaro [Sanchez] qui a fait sensation », a déclaré Gralka – les travaux de 2018 montrant que des niches microbiennes prévisibles apparaissent et peuvent être remplies par de nombreuses espèces différentes. . L’idée selon laquelle la fonction comptait plus que l’espèce lui paraissait logique. « Dans le sol, on trouve parfois des milliers de bactéries différentes. Ensuite, cela soulève très vite des questions », a-t-il déclaré. « Comment existe-t-il des milliers d’espèces ? Il n’existe sûrement pas des milliers de niches différentes.
En combinant ces deux idées de Cordero et Sanchez, Gralka s’est demandé s’il pouvait non seulement prédire une communauté microbienne à partir de sa source de nourriture de départ, mais également déduire des niches à partir du génome de la bactérie.
Gralka a goûté au congélateur de Cordero. Premièrement, il devait caractériser les bactéries en fonction des aliments qu’elles préféraient. À l’aide d’outils à haut débit, il a cultivé 186 espèces bactériennes différentes dans des cultures complétées par 135 sources alimentaires différentes. Au total, Gralka a mesuré les taux de croissance de plus de 25,000 XNUMX échantillons bactériens.
Il existe autant de variété chez 186 espèces bactériennes que chez 186 humains différents, et comme les humains, les bactéries ont chacune leurs propres modèles et habitudes. Certaines bactéries de Gralka se sont développées rapidement sur les sucres, et d’autres se sont développées rapidement sur les acides, y compris les acides organiques comme l’acide citrique ainsi que les acides aminés, les éléments constitutifs des protéines. À l’aide de ces données, Gralka a placé les espèces sur ce qu’il a appelé un axe sucre-acide en fonction de leurs préférences.
Ensuite, il a séquencé l’ADN des 186 espèces pour voir comment elles étaient liées au cours de l’évolution. Gralka a été surprise de constater que des espèces étroitement apparentées au sein des mêmes familles phylogénétiques avaient souvent des préférences métaboliques différentes. Par exemple, l'ordre des bactéries en forme de bâtonnets Alteromonadales contenait les mangeurs d'acide Colwellie, les mangeurs de sucre Paraglaciécola et le moins pointilleux Pseudoaltéromonas, qui a mangé les deux. Cela conforte l’idée plus large selon laquelle les noms d’espèces ne transmettent pas beaucoup d’informations sur la fonction de la bactérie au sein d’une communauté microbienne donnée.
Ensuite, l’analyse de Gralka a approfondi l’ADN des insectes. Pour relier le génome à la fonction métabolique, il a recherché des gènes connus pour être impliqués dans la digestion et le métabolisme des sucres, et a fait de même pour les acides. Il a découvert que le nombre de gènes mangeurs de sucre ou d'acide prédisait où chaque microbe se situerait sur le spectre sucre-acide : plus une espèce avait de gènes pour un processus ou un autre, plus elle avait de chances d'atterrir à cette extrémité de l'axe. . Les résultats suggèrent que les microbiologistes pourraient établir grossièrement le métabolisme d'une communauté en recherchant des séquences de certains gènes.
Introduction
Puis il trouva quelque chose de plus surprenant. Ignorant les séquences génétiques réelles, il a examiné directement la décomposition moléculaire de l’ADN d’une souche. Dans la double hélice de l'ADN, les quatre types de bases dans les brins opposés sont appariés, la guanine (G) étant liée à la cytosine (C) et la thymine (T) liée à l'adénine (A). De manière inattendue, les génomes des mangeurs d’acide avaient une teneur moyenne en GC de 55 %, tandis que la teneur en GC des mangeurs de sucre était en moyenne d’environ 40 %. Pour confirmer que cette corrélation n’était pas une bizarrerie de sa communauté microbienne particulière, Gralka a analysé un ensemble de données plus vaste comprenant des milliers de génomes de référence provenant de l’ensemble de l’arbre de vie bactérien. La tendance s'est maintenue : les spécialistes de l'acide avaient généralement une teneur en GC plus élevée que les spécialistes du sucre.
Cette règle semblait incroyablement simple. La chimie de l’ADN d’une bactérie prédit sa niche dans la communauté. Gralka a pu déterminer si une espèce mangeait principalement des sucres ou des acides en se basant uniquement sur le contenu de son génome, sans examiner du tout ses gènes. Les statistiques et la génomique ont trouvé un ordre simple là où la taxonomie n’en voyait pas.
Prédire l’avenir microbien
Ces travaux jettent les bases d’une nouvelle science permettant de faire des prédictions pratiques sur les communautés microbiennes. Supposons qu’un pipeline fuit et déverse du pétrole brut dans une forêt ; un microbiologiste ou un scientifique environnemental voudra peut-être savoir quelles bactéries apparaîtront pour manger cette huile. Un médecin voudra peut-être savoir comment le microbiome intestinal d’un patient pourrait évoluer au cours d’une maladie et éventuellement utiliser cette prédiction pour prescrire des antibiotiques spécifiques ou d’autres médicaments.
De nombreuses questions peuvent trouver une réponse et des problèmes résolus si les chercheurs peuvent estimer rapidement les fonctions d’une communauté microbienne. "Dans mon laboratoire, nous appelons cela le dilemme de l'entraîneur", a déclaré Sanchez. « Vous avez un groupe de joueurs et vous voulez savoir qui vous devriez mettre sur le terrain si vous voulez maximiser votre score. J'ai cette liste de 100 souches ; Je veux les mettre dans un bioréacteur et je veux produire autant d'éthanol que possible. Alors, quelles variétés dois-je mettre ?
Les règles découvertes par les écologistes microbiens ne peuvent pas encore répondre à cette question. Cependant, une évaluation rapide du métabolisme microbien – ou une théorie de travail sur les communautés bactériennes et leurs gènes – pourrait un jour être utilisée pour étudier et gérer un monde de processus écologiques, a déclaré Gralka.
Les communautés microbiennes sont des acteurs clés de chaque cycle écologique sur Terre. Lorsqu’un arbre tombe dans une forêt, une litanie de champignons et de bactéries s’assemblent pour le manger et le décomposer, ramenant ainsi les composants de l’arbre aux cycles nutritionnels globaux. Avec les concepts introduits par Gralka, Sanchez, Cordero et d’autres écologistes microbiens, les niches de cette nouvelle communauté sont prévisibles. Le bois est principalement composé de cellulose et d'hémicellulose, qui sont des polymères de glucose ; par conséquent, une communauté fonctionnelle, prête à participer à la décomposition des forêts, hébergerait des bactéries consommatrices de sucre, serait abondante en gènes digérant le sucre et aurait des génomes composés d'une proportion plus faible de molécules GC. Une augmentation soudaine et mystérieuse du nombre de mangeurs d'acide pourrait être le signe que quelque chose ne va pas, a suggéré Gralka.
L’axe sucre-acide n’est qu’un type de niche communautaire que ces écologistes microbiens souhaitent identifier. Cordero a proposé l'écosystème forestier comme exemple de son objectif ultime. Les écologistes ont défini de nombreux traits et fonctions généraux partagés entre les forêts et qui diffèrent entre elles, permettant ainsi la comparaison et la prévision.
« Quelle quantité de biomasse y a-t-il sur les feuilles par rapport au tronc ? [Il] s’avère que les plantes qui ont d’énormes feuilles respirent davantage dans les environnements tropicaux », a déclaré Cordero. « Quelle est la profondeur des racines ? Cela vous indique la quantité de nutriments qu’ils peuvent extraire de l’environnement. À quelle vitesse vont-ils grandir ? Quelle est leur taille ? Dans quelle mesure sont-ils bons en compétition pour la lumière ? » Connaître ne serait-ce que quelques-unes de ces variables peut nous en dire beaucoup sur la dynamique d’une forêt.
Cordero ne sait pas quels pourraient être les traits analogues pour les micro-organismes et leurs communautés. De nombreuses niches bactériennes sont sûrement liées à leur métabolisme et à leurs sous-produits, mais il existe d’autres angles à considérer. « Si nous avions des moyens d’apprendre ce que sont ces variables… et des moyens de les identifier systématiquement, ce serait étonnant », a-t-il déclaré.
D’une certaine manière, ces scientifiques cartographient écologiquement les communautés microbiennes pour la toute première fois. Leurs travaux proposent une nouvelle vision de ce qu’est réellement une communauté microbienne – montrant que ce que sont les microbes se définit mieux par ce qu’ils font.
Note de l'éditeur : Cordero dirige la Collaboration Simons sur les principes des écosystèmes microbiens, un programme de recherche soutenu par la Fondation Simons, qui finance également ce projet. revue éditorialement indépendante. Les décisions de financement de la Fondation Simons n'ont aucune influence sur notre couverture.
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- façons
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- qui
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- WHO
- why
- Sauvage
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- VIN
- comprenant
- dans les
- sans
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- Zurich