Les ingénieurs biomédicaux de l’Université Duke ont démontré un phénomène de communauté microbienne qui équivaut essentiellement à enseigner aux voisins comment accomplir les tâches nécessaires en arrachant et en partageant des parties du cerveau.
Le processus permet aux microbiomes de se maintenir et de maintenir leur environnement en bonne santé et pourrait aider les scientifiques à créer des systèmes microbiens robustes et sur mesure pour des applications allant du nettoyage des toxines de l’environnement à la production de biocarburants et d’autres produits de consommation.
La recherche paraît en ligne le 1er septembre dans la revue Biologie chimique de la nature.
De grandes communautés microbiennes complexes vivent partout dans le monde, des rivières et des montagnes aux humains et aux maisons. Mais qu’il s’agisse de comparer des microbiomes sur des sommets enneigés en Asie ou dans l’estomac de jumeaux humains identiques, la composition des espèces au sein de ces communautés peut varier considérablement.
Peu importe à quel point ces microbiomes peuvent sembler différents à la surface, s’ils vivent dans des environnements similaires, ils rempliront probablement les mêmes fonctions. Une façon d’évaluer les processus qu’ils mettent en œuvre consiste à se concentrer sur les gènes qui codent les fonctions plutôt que sur les espèces elles-mêmes.
Si vous comptez le nombre de copies de gènes qui codent une fonction, leur nombre peut rester stable même si la composition spécifique de la communauté change radicalement. Une voie importante vers ce niveau de stabilité est le transfert horizontal de gènes. »
Lingchong You, professeur, génie biomédical, Duke University
Le transfert horizontal de gènes est le processus par lequel les bactéries partagent constamment des recettes génétiques pour de nouvelles capacités en échangeant des paquets de matériel génétique appelés plasmides. Au niveau conceptuel, ce n’est pas tout à fait différent de créer une copie d’une collection de neurones qui sait comment faire des lasagnes, de l’arracher de votre tête et de la donner à un ami pour qu’elle l’utilise.
Dans le nouvel article, You et ses collègues montrent que ce transfert de gènes joue un rôle essentiel dans le maintien de la santé des microbiomes et dans la réalisation des tâches critiques. En partant de deux espèces différentes de bactéries, les chercheurs ont contrôlé les niveaux de transfert horizontal de gènes et ont montré que des taux plus élevés entraînaient des concentrations plus stables de ces gènes.
L’équipe a ensuite construit une communauté de jusqu’à 72 bactéries échangeant jusqu’à 13 gènes différents simultanément et a mesuré la stabilité des gènes. Comme avec le modèle plus simple, les gènes qui ont été échangés plus fréquemment ont maintenu un niveau plus stable dans le microbiome dans son ensemble.
« Ces résultats ont fait l’objet de spéculations auparavant, mais n’ont jamais été quantifiés au sein des communautés vivantes », a déclaré You. « L’autre voie vers ce niveau de redondance consiste à avoir plusieurs espèces capables de remplir la même fonction. Mais un niveau élevé de transfert horizontal de gènes est une méthode beaucoup plus robuste pour obtenir les mêmes résultats. »
En d’autres termes, une équipe de construction pourrait être extrêmement résiliente à l’abandon des électriciens si les plombiers sur place savaient également comment câbler un bâtiment. Mais la même équipe serait encore plus résiliente si les électriciens restants pouvaient simplement transférer leur expertise à n’importe qui au travail en cas de besoin, quelle que soit leur profession.
À l’avenir, You espère étudier les communautés microbiennes naturelles pour prouver définitivement que ce phénomène est important pour la santé d’un microbiome en dehors d’un laboratoire. Il prévoit également de mettre en œuvre cette division dynamique du travail par le transfert horizontal de gènes dans des systèmes microbiens modifiés.
« Il y a des cas où des voies métaboliques complexes sont difficiles à concevoir dans une seule espèce bactérienne où il est plus facile d’avoir différentes populations effectuant différentes étapes du processus », a déclaré You. « Cette étude suggère que nous pouvons mettre en œuvre cette stratégie par le biais du transfert de gènes afin que nous n’ayons pas à nous soucier de la composition spécifique des espèces. Nous pouvons simplement laisser la communauté trouver le meilleur équilibre pour elle-même tout en sachant qu’elle continuera à obtenir le travail. Fini. »
Cette recherche est soutenue par les National Institutes of Health (R01AI125604, R01EB031869) et la National Science Foundation (MCB-347 1937259).
