Dans un article de perspectives récent publié dans la revue Métabolisme de la nature, Les chercheurs dévoilent les avancées de pointe dans le métabolisme de la communauté microbienne intestinale humaine, soulignant les défis actuels rencontrés dans ce domaine. Ils fournissent des recommandations sur les outils et méthodologies informatiques actuels qui peuvent rationaliser et normaliser ces études, en soulignant les avantages de relier les assemblages microbiens spécifiques à chaque individu et leur voie métabolique et d'extrapoler ces résultats au niveau de l'écosystème. Enfin, ils énumèrent les meilleures pratiques pour la recherche sur le microbiome intestinal visant à révolutionner la manipulation du microbiome et les approches thérapeutiques dans un avenir pas si lointain.
Perspectives : outils émergents et meilleures pratiques pour étudier le métabolisme de la communauté microbienne intestinale. Crédit photo : Anatomy Image / Shutterstock
Sommaire
Arrière-plan
Le « microbiome intestinal », également appelé « microbiote intestinal » ou « flore intestinale », est la somme des bactéries, champignons, virus et archées qui peuplent le tube digestif des animaux (appelés leurs « hôtes ») dans une association essentiellement symbiotique. Des recherches ont étudié cette relation symbiotique chez l'homme et des organismes modèles et ont révélé que la composition de la communauté, la diversité relative et l'abondance de ces microbes ont un impact profond sur la composition chimique du corps des hôtes, influençant fortement la santé de ces derniers.
Alors que l’on pense généralement que le microbiome intestinal et son métabolisme influencent la santé de l’hôte via la modulation du fonctionnement du système digestif, un nombre croissant de preuves soulignent le rôle du microbiome intestinal et de son métabolisme dans la promotion ou la modification du fonctionnement, des risques et des résultats des infections et de l’immunité, de la digestion ou, plus récemment, du traitement du cancer. Ces résultats rendent essentielle une compréhension holistique de l’interaction entre le métabolisme de l’hôte et les communautés microbiennes. Déduire et élucider les mécanismes sous-jacents à ces biotransformations pourrait révolutionner la gestion et le traitement futurs des maladies au niveau individuel.
Pourquoi cette perspective existe-t-elle et quel est son objectif ?
Il n’existe pas deux êtres humains identiques, et par extension, leurs assemblages de microbiotes ne sont pas identiques. La diversité substantielle de la génétique au niveau des souches et des résultats phénotypiques qui y sont associés a entravé les progrès scientifiques dans la personnalisation des manipulations du microbiome intestinal à des fins médicales. Des défis supplémentaires dans l’établissement d’un contexte environnemental et la consolidation de la vaste base de connaissances sur le métabolisme microbien ont présenté de nombreux défis dans le développement d’interventions sur le microbiome spécifiques aux patients, voire à la population.
Il est encourageant de constater que les avancées récentes dans le domaine du métabolisme microbien intestinal ont tenté de relever ces défis en développant des outils informatiques et méthodologiques, notamment des outils d'annotation et de conservation pour 1. la modélisation du métabolisme, 2. les analyses des réseaux métaboliques communautaires et 3. les référentiels de connaissances centralisés et accessibles au public. Malheureusement, compte tenu de la vaste portée et de la nature interdisciplinaire du domaine, bon nombre de ces avancées restent invisibles pour les chercheurs et les cliniciens. En outre, la relative nouveauté du domaine et l'absence de méthodologies d'échantillonnage standard et de conventions de communication des résultats rendent encore plus difficile l'apprentissage des études prospectives sur le microbiome intestinal.
Le présent article de perspectives vise à rationaliser ce processus en résumant les défis historiques et actuels de la recherche sur le métabolisme du microbiome intestinal, en mettant en évidence les meilleures ressources de données et outils d'analyse actuellement disponibles pour les études sur le terrain, et en recommandant des pratiques et des méthodologies pour normaliser et rationaliser les études futures.
Les défis de la compréhension du métabolisme des communautés microbiennes
Historiquement, la recherche sur le métabolisme microbien s'est appuyée sur des systèmes de modèles classiques tels que Escherichia coli (Escherichia coli) et les cellules de mammifères. Malheureusement, ces modèles de type unicellulaire diffèrent considérablement des communautés microbiennes intestinales très diversifiées sur plusieurs fronts – 1. le tube digestif, et à son tour, les communautés microbiennes intestinales sont principalement anaérobies. Alors qu'une littérature abondante détaille le métabolisme des glucides dans les environnements anaérobies, la flore intestinale utilise fréquemment des métabolites alternatifs mal compris comme sources de nutrition (par exemple, les nucléotides et les acides aminés). Les modifications du régime alimentaire d'un individu sont de plus en plus liées aux transitions (à court et à long terme) dans sa composition florale intestinale, mais le mécanisme sous-jacent à ces interactions reste insaisissable.
« La sous-souche MG1655 d'E. coli K-12 est le micro-organisme le mieux étudié de la planète, mais 6 % de ses gènes n'ont aucune fonction prédite ou connue, et environ 83 % des caractéristiques métaboliques produites par cet organisme ne sont pas identifiées. »
2. Contrairement à l'uniforme Escherichia coli Qu'il s'agisse de populations ou de lignées cellulaires de mammifères, la santé globale du microbiome intestinal dépend des interactions entre tous les microbes qui le composent, qui évoluent de manière dynamique. Nous ne comprenons toujours pas ces interactions métaboliques interdépendantes chez les sujets humains individuels, et nous ne disposons pas encore d'une base de données annotée de toutes les interactions possibles à l'échelle de l'écosystème.
Comment pouvons-nous relever ces défis ?
Avant de tenter d’élucider les interactions métaboliques à grande échelle, nous devons d’abord approfondir notre compréhension du métabolisme des microbes individuels. Des outils de pointe tels que GutSMASH, SIMMER et MAGI peuvent aider à annoter les fonctions métaboliques des gènes en utilisant respectivement l’organisation physique, les structures génomiques et chimiques.
Une fois que cela est réalisé ou au moins progressé pour un sous-ensemble de microbes, les logiciels COBRA (COnstraint-Based Reconstruction and Analysis), BiGG et DEMETER peuvent être utilisés pour construire des cartes métaboliques au niveau du génome afin d'émettre des hypothèses sur les capacités métaboliques individuelles au niveau du microbiome et leurs interactions avec les environnements hôtes. Des approches basées sur l'intelligence artificielle telles que les outils de « phénotypage profond » (BacterAI) peuvent être utilisées pour concevoir et optimiser le flux de travail, accélérant considérablement l'acquisition, la conservation et l'analyse des données pour ces études de métabolisme sur un seul microbe.
En passant du niveau individuel au niveau de la communauté/écosystème, les approches métabolomiques peuvent fournir des informations clés pour élucider les comportements et les réponses collectives de la flore intestinale. MASST est l'un de ces outils capable de rechercher rapidement dans les bases de données accessibles au public des informations hypothétiques ou souhaitées sur les spectres de masse. Lorsqu'elles sont combinées à des données métagénomiques, ces données de spectres de masse peuvent élucider davantage l'écologie des assemblages microbiens. Cette dernière peut être réalisée à l'aide du cadre MICOM.
« En ce qui concerne les modèles métaboliques à organisme unique, la qualité des prédictions des modèles communautaires dépend de leurs données sous-jacentes. En particulier, les modèles communautaires ont tendance à surévaluer les rôles métaboliques de taxons modèles mieux étudiés comme E. coli. Pour contrer ces biais, l'estimation de l'incertitude au niveau de la communauté et la validation expérimentale sont également des domaines importants pour le développement de méthodes futures. »
Enfin, peu de choses sont plus fastidieuses et consommatrices de temps et de ressources que de réinventer la roue. Malheureusement, la recherche est souvent répétée en raison de la nature interdisciplinaire et des progrès rapides de la recherche sur le métabolisme intestinal. La normalisation des méthodologies d'étude et des systèmes de rapport des résultats, parallèlement à la mise en place d'une infrastructure pour le partage des données et la synthèse des connaissances, peut aider à surmonter cette limitation. Le National Microbiome Data Collaborative a récemment établi la norme « FAIR » (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable) pour répondre à ce besoin. Le Chemical Translation Service (pour la métabolomique et la chimioinformatique) et SeqCode (pour les microbes) peuvent remédier aux divergences dans les schémas nomenclaturaux.
« Étant donné l’ampleur et la portée des recherches sur le métabolisme des communautés microbiennes, les outils informatiques de la littérature et les modèles de langage de l’IA peuvent également constituer des ressources précieuses. Des outils comme Babel et scite.ai peuvent identifier et évaluer les références pertinentes pour les requêtes dans plusieurs domaines, comme les études sur une famille d’enzymes particulière ou les associations d’un micro-organisme particulier avec un nutriment particulier. Un autre exemple utile est PaperBLAST, qui identifie les publications mentionnant des gènes présentant une forte homologie de séquence avec un gène d’intérêt et a été utilisé pour émettre l’hypothèse de nouvelles fonctions génétiques. »
Conclusions
Malgré sa croissance récente, la recherche sur le métabolisme intestinal n'en est qu'à ses débuts. La standardisation des méthodologies et la vulgarisation des outils de pointe permettraient une croissance supplémentaire maximale avec un minimum de gaspillage de temps et de ressources. Un avenir pas si lointain pourrait fournir aux cliniciens et aux patients la base de connaissances nécessaire pour des interventions personnalisées basées sur les écosystèmes intestinaux uniques de ces derniers. Les prévisions informatiques actuelles, les validations expérimentales et l'interconnexion de ces deux sources de données pourraient constituer le prochain saut générationnel dans les soins de santé personnalisés dans le monde de demain.
