Les bactéries sont tout autour de nous; non seulement dans les salles de bain ou les comptoirs de cuisine, mais aussi à l’intérieur de notre corps, y compris dans les tumeurs, où le microbiote se développe souvent. Ces «petites écologies» peuvent détenir la clé des thérapies médicamenteuses contre le cancer et en apprendre davantage à leur sujet peut aider à développer de nouveaux traitements qui sauvent des vies.
Que se passe-t-il lorsque différentes souches de bactéries sont présentes dans le même système? Coexistent-ils? Les plus forts survivent-ils? Dans un jeu microbien de pierre-papier-ciseaux, des chercheurs de l’Institut BioCircuits de l’Université de Californie à San Diego ont découvert une réponse surprenante.
Leurs résultats, intitulés «Survie des interactions asymétriques non transitives parmi les souches d’E. Coli les plus faibles», ont été publiés dans une récente édition de Communications de la nature.
L’équipe de recherche était composée du professeur de bio-ingénierie et de biologie moléculaire Jeff Hasty; Michael Liao et Arianna Miano, tous deux étudiants diplômés en bio-ingénierie; et Chloe Nguyen, étudiante de premier cycle en bio-ingénierie. Ils ont conçu trois souches de E. coli (Escherichia coli) de sorte que chaque souche produit une toxine qui pourrait tuer une autre souche, tout comme un jeu de ciseaux à papier-pierre.
Lorsqu’on lui a demandé comment l’expérience avait eu lieu, Hasty a commenté: «En biologie synthétique, les circuits géniques complexes sont généralement caractérisés par des bactéries qui poussent dans des cultures liquides bien mélangées. Cependant, de nombreuses applications impliquent des cellules qui sont limitées à se développer sur une surface. Nous voulait comprendre le comportement des petites écologies artificielles lorsque les espèces en interaction se développent dans un environnement plus proche de la façon dont les bactéries sont susceptibles de coloniser le corps humain. «
Les chercheurs ont mélangé les trois populations et les ont laissées pousser sur un plat pendant plusieurs semaines. Quand ils ont vérifié, ils ont remarqué que, à travers plusieurs expériences, la même population envahirait toute la surface – et ce n’était pas la plus forte (la souche avec la toxine la plus puissante).
Curieux de connaître les raisons possibles de ce résultat, ils ont conçu une expérience pour dévoiler la dynamique cachée en jeu.
Il y avait deux hypothèses: soit la population moyenne (appelée «l’ennemi du plus fort» comme la souche attaquée par le plus fort) gagnerait ou la population la plus faible l’emporterait. Leur expérience a montré que, étonnamment, la deuxième hypothèse était vraie: la population la plus faible a systématiquement pris le dessus sur la plaque.
Pour en revenir à l’analogie pierre-papier-ciseaux, si nous supposons la souche «rock» de E. coli a la toxine la plus forte, elle tuera rapidement la souche « ciseaux ». Puisque la souche de ciseaux était la seule capable de tuer la souche «papier», la souche de papier n’a plus d’ennemis. Il est libre de ronger lentement la souche de roche sur une période de temps, tandis que la souche de roche est incapable de se défendre.
Pour donner un sens au mécanisme derrière ce phénomène, les chercheurs ont également développé un modèle mathématique qui pourrait simuler des combats entre les trois populations en partant d’une grande variété de motifs et de densités. Le modèle a pu montrer comment les bactéries se comportaient dans plusieurs scénarios avec des modèles spatiaux communs tels que des rayures, des amas isolés et des cercles concentriques.
Ce n’est que lorsque les déformations ont été initialement réparties dans le modèle d’anneaux concentriques avec le plus fort au milieu, qu’il a été possible pour la plus forte contrainte de prendre le dessus sur la plaque.
On estime que les microbes sont plus nombreux que les cellules humaines 10 à 1 dans le corps humain et plusieurs maladies ont été attribuées à des déséquilibres au sein de divers microbiomes. Les déséquilibres au sein du microbiome intestinal ont été liés à plusieurs troubles métaboliques et inflammatoires, au cancer et même à la dépression.
La capacité à concevoir des écosystèmes équilibrés qui peuvent coexister pendant de longues périodes peut ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour les biologistes synthétiques et les nouveaux traitements de santé.
Les recherches menées par le groupe de Hasty peuvent aider à jeter les bases d’un jour, concevoir des microbiomes synthétiques sains qui peuvent être utilisés pour fournir des composés actifs pour traiter divers troubles métaboliques ou maladies et tumeurs.
La vice-chancelière chargée de la recherche, Sandra Brown, a déclaré: «L’association de la biologie moléculaire et de la bioningénierie a permis des découvertes susceptibles d’améliorer la santé des personnes dans le monde. C’est une découverte qui n’aurait peut-être jamais eu lieu si elles ne travaillaient pas en collaboration. est un autre témoignage de la puissance de la recherche multidisciplinaire de l’UC San Diego. «
Le BioCircuits Institute (BCI) est une unité de recherche multidisciplinaire qui se concentre sur la compréhension des propriétés dynamiques des circuits de régulation biologique qui couvrent les échelles de la biologie, des modules de régulation intracellulaires à la dynamique des populations et au fonctionnement des organes.
BCI cherche à développer et valider des modèles théoriques et informatiques pour comprendre, prédire et contrôler des fonctions biologiques complexes. L’institut est composé de plus de 50 professeurs de l’UC San Diego et d’autres institutions locales, notamment Scripps Research, le Salk Institute et le Sanford-Burnham Medical Research Institute.
La source:
Université de Californie – San Diego
Référence du journal:
Liao, ML, et al. (2020) Survie des interactions asymétriques non transitives les plus faibles entre les souches d’E. Coli. Communications de la nature. doi.org/10.1038/s41467-020-19963-8.
