Une équipe de recherche mondiale a identifié l'enzyme qui alimente la production d'hydrogène dans des intestins sains et montré comment sa déplétion recâble les réseaux d'énergie microbienne dans la maladie de Crohn, remodelant ainsi notre compréhension du métabolisme intestinal.
Étude : Une hydrogénase répandue soutient la croissance fermentaire des bactéries intestinales chez les personnes en bonne santé. Crédit d’image : lumière cristalline/Shutterstock
Dans une étude récente publiée dans la revue Microbiologie naturelleune équipe internationale de chercheurs a exploité une étude à multiples facettes combinant des analyses génomiques, transcriptomiques et biochimiques pour identifier le principal moteur de la production fermentaire d'hydrogène moléculaire (H₂) chez les individus en bonne santé. Le cycle moléculaire de l’H₂ est un processus métabolique vital dans l’intestin humain, mais les microbes et enzymes spécifiques qui en sont responsables restent non résolus.
Sommaire
Arrière-plan
Des décennies de recherche ont établi que le microbiome intestinal humain est un réacteur métabolique très actif, comprenant des milliards de microbes qui fermentent les glucides consommés. Ce processus entraîne la production d’énergie, d’acides gras bénéfiques à chaîne courte et de grandes quantités de gaz, dont de l’hydrogène moléculaire (H₂).
Conventionnellement considéré comme un simple déchet, des recherches plus récentes ont révélé que le H₂ moléculaire est une source de nourriture cruciale pour d’autres microbes (appelés « hydrogénotrophes »), rendant ainsi la fermentation thermodynamiquement plus favorable.
La dysbiose ou les déséquilibres dans la production et la consommation de H₂ sont de plus en plus associés à de graves problèmes de santé, allant de l'accumulation de gaz dans le syndrome du côlon irritable (SCI) aux infections et même aux cancers gastro-intestinaux. De plus, certains agents pathogènes, comme Salmonelleont été observés « détournant » le H₂ moléculaire pour alimenter leur invasion de l’intestin.
Malheureusement, malgré son importance, les microbes et les enzymes spécifiques impliqués dans la production et le métabolisme de H₂ restent non résolus.
À propos de l'étude
La présente étude vise à combler ce manque de connaissances et à éclairer les recherches futures et les interventions gastro-intestinales en tirant parti d'une approche à plusieurs volets pour élucider les microbes et les enzymes impliqués dans la production de H₂, du niveau de l'écosystème jusqu'à l'enzyme unique.
L'étude comprenait plusieurs étapes séquentielles : premièrement, une analyse informatique à grande échelle de 300 métagénomes des selles et de 78 métatranscriptomes a été réalisée pour élucider le spectre complet des gènes liés à l'hydrogène présents et actifs dans l'intestin humain sain. Ces résultats ont été validés à l’aide de 102 métagénomes enrichis en biopsie muqueuse provenant de 42 donneurs. En outre, les analyses se sont concentrées sur des échantillons de l'iléon terminal, du caecum et du rectum pour confirmer la cohérence entre les régions de l'intestin.
Ensuite, pour démontrer que ces gènes étaient fonctionnels, l’étude a sélectionné 19 espèces bactériennes diverses de l’intestin humain et les a cultivées dans des conditions anaérobies (sans oxygène) pour simuler les conditions intestinales. Des tests de chromatographie en phase gazeuse ont été utilisés pour mesurer avec précision la quantité de gaz H₂ produite par chaque isolat bactérien au fil du temps.
Enfin, des tests biochimiques (sur des extraits de cellules bactériennes) ont été réalisés pour élucider le lien entre la production de H₂ et la pyruvate:ferrédoxine oxydoréductase (PFO) réaction, élément essentiel de la fermentation. Plus précisément, des substrats PFOR (pyruvate et CoA) et des inhibiteurs ont été ajoutés pour voir comment les niveaux de H₂ réagissaient, appuyés par la modélisation AlphaFold2, l'expression hétérologue et la spectroscopie/REP preuves qui ont validé le domaine de type ferrédoxine et la fonction catalytique de l'enzyme.
Résultats de l'étude
Les résultats de l’étude ont révélé, pour la première fois, que l’enzyme hydrogénase du groupe B (FeFe) était, de loin, le gène producteur d’hydrogène le plus dominant dans l’intestin humain sain. Les estimations de l'abondance ont révélé que les gènes du groupe B étaient en moyenne de 0,75 ± 0,25 copies par génome, environ 7,5 fois plus abondants que l'enzyme du groupe A1 (0,10 ± 0,09 copies), qui était auparavant considérée comme le principal producteur de H₂.
Les tests d'activité ont corroboré ces résultats, montrant que les gènes du groupe B étaient également les plus fortement transcrits (actifs) dans le métatranscriptome. De manière inattendue, cependant, les tests d'activité ont révélé Bactéroidesl'un des genres les plus courants dans l'intestin, en tant que principal utilisateur d'enzymes du groupe B et donc producteur majeur de H₂, une association jusqu'alors sous-reconnue.
Les analyses des 19 isolats bactériens ont confirmé ces résultats, démontrant que les espèces codant pour le gène du groupe B, dont sept différents Bactéroides isole, produit des niveaux élevés de gaz H₂. En revanche, Bacteroides stercorisune espèce naturellement dépourvue de gènes d'hydrogénase, ne produit aucun H₂, ce qui correspond à l'absence de gènes d'hydrogénase détectables.
De manière plus significative, en comparant des individus en bonne santé à 46 patients atteints CD a révélé que l'hydrogénase du groupe B « saine » était significativement appauvrie (P = 0,0023) et notamment remplacée par d'autres enzymes : l'hydrogénase du groupe A1 était multipliée par 2,8 (P = 6,6 × 10⁻⁷), la formiate hydrogénase du groupe 4a (souvent trouvée dans E. coli) a augmenté de 5,2 fois (P = 6,8 × 10⁻⁶) et le groupe 1d (NiFe)-hydrogénase a augmenté de 2,6 fois (P = 3,8 × 10⁻⁵). Les gènes responsables de l'oxydation respiratoire de l'H₂, en particulier les hydrogénases du groupe 1d (NiFe), ont également augmenté, favorisant une économie d'hydrogène restructurée dans l'intestin enflammé de CD patients.
L'expression variait également considérablement d'un individu à l'autre, et les sous-groupes combinés (FeFe) n'étaient pas significativement différents entre les individus. CD et des échantillons de contrôle, soulignant que ces associations sont corrélatives et nécessitent une étude mécaniste plus approfondie. Les hydrogénotrophes respiratoires dominent probablement la consommation intestinale de H₂, sur la base de l'abondance des gènes et des données de transcription, bien qu'une validation du niveau d'activité soit encore nécessaire.
Conclusions
La présente étude affine et consolide la compréhension scientifique d'un processus métabolique fondamental dans l'intestin humain, identifiant le groupe B (FeFe)-hydrogénase comme principal moteur de la production fermentaire de H₂ chez les individus en bonne santé et élevant le Bactéroides genre à un acteur clé.
Cette découverte ouvre de nouvelles voies pour comprendre, diagnostiquer et potentiellement traiter les troubles inflammatoires intestinaux complexes en tirant parti d’interventions ciblant le microbiome intestinal. Cela suggère également que les hydrogénotrophes respiratoires sont d’importants consommateurs de H₂, soulignant la complexité du flux d’énergie microbienne dans l’écosystème intestinal.
