L’analyse des eaux usées pourrait alerter les autorités sur des milliers de menaces sanitaires à la fois, de la résistance aux antimicrobiens au choléra, selon une nouvelle étude menée par plusieurs universités européennes.
Sous la direction de l’Institut national de l’alimentation de la DTU, des chercheurs de 11 universités, institutions et organismes de recherche européens ont développé une nouvelle méthode d’analyse des données issues de la surveillance des eaux usées. Cette méthode permet de déterminer si les bactéries, les virus et la résistance aux antimicrobiens responsables de maladies proviennent des humains, des animaux, de l’industrie ou de l’environnement. Des milliers de menaces potentielles peuvent être détectées simultanément, notamment la résistance aux antimicrobiens et les bactéries responsables du choléra, ce qui pourrait contribuer à empêcher les épidémies de se transformer en épidémies. Cette recherche a été publiée dans la prestigieuse revue scientifique Nature Communications.
Les chercheurs ont analysé des échantillons collectés sur trois ans dans sept usines de traitement des eaux usées de cinq grandes villes européennes : Bologne, Budapest, Copenhague, Rome et Rotterdam.
« Les eaux usées non traitées deviennent de plus en plus une source vitale pour la surveillance anonyme de la santé et des maladies dans les grandes populations urbaines. Cependant, il n'est pas simple d'en extraire des données précieuses, car les eaux usées contiennent des bactéries connues et inconnues provenant de diverses sources, telles que les humains, les plantes, les animaux, l'eau de pluie, le lavage de la vaisselle, etc. », explique l'auteur correspondant de l'article de recherche, le professeur adjoint Patrick Munk du DTU National Food Institute.
De plus, le contenu des eaux usées peut varier en raison des changements saisonniers de température.
C’est à ces défis que les chercheurs commencent à répondre grâce à un nouveau programme informatique.
« Nos recherches montrent un potentiel important dans la surveillance des eaux usées basée sur la métagénomique. Bien que cette méthode soit plus coûteuse que les tests PCR, qui se sont révélés très efficaces pendant la pandémie de COVID-19, la PCR ne détecte qu'une seule menace à la fois. La surveillance des eaux usées basée sur la métagénomique peut évaluer des milliers de menaces simultanément. De plus, la valeur de chaque échantillon individuel augmente à mesure que davantage d'échantillons sont collectés au fil du temps, car les données historiques renforcent la valeur des nouvelles analyses », explique le professeur Frank Aarestrup, qui dirige le groupe de recherche en épidémiologie génétique au DTU National Food Institute et co-auteur de l'article.
Un système de surveillance pourrait être envisagé qui combinerait la surveillance des eaux usées basée sur la métagénomique avec des tests PCR pour détecter des menaces spécifiques que les autorités jugent susceptibles d’apparaître.
L’étude est particulièrement pertinente car une directive européenne impose à toutes les grandes villes européennes de commencer à surveiller la résistance aux antimicrobiens dans les eaux usées. Au Danemark, le Statens Serum Institut dirige une vaste collaboration européenne sur la mise en œuvre de cette surveillance des eaux usées.
Les logiciels organisent de vastes ensembles de données en groupes mystérieux
Sur une période de trois ans, de janvier 2019 à novembre 2021, 278 échantillons d’eaux usées ont été prélevés à l’entrée des sept stations d’épuration et envoyés à la DTU. Les chercheurs ont ensuite analysé des milliards de séquences d’ADN des échantillons, les assemblant en génomes de milliers d’espèces bactériennes, dont 1 334 étaient jusqu’alors inconnues.
Les données ont été analysées à l'aide d'un logiciel développé par le partenaire italien du projet, l'Université de Bologne. Ce programme identifie les espèces qui se comportent de manière similaire au fil du temps et les regroupe.
« Au cours des analyses, nous avons pu constater que les bactéries présentes dans les eaux usées se regroupaient en groupes très distincts. Nous avons commencé à nous demander pourquoi et comment ces groupes se formaient. Au début, nous pensions que ces groupes pouvaient être le résultat de la collaboration de microbes, mais c'était une impasse. Nous avons ensuite cherché à savoir si certains de ces groupes pouvaient être constitués de bactéries provenant de matières fécales humaines, et c'est là que nous avons trouvé la solution », explique Patrick Munk.
D'autres groupes se sont avérés être des bactéries provenant de l'environnement, et un groupe présent dans toutes les stations d'épuration du pays provient probablement de biofilms se développant sur les canalisations menant aux installations.
Une fois que les chercheurs ont identifié certains groupes à l’aide du logiciel d’analyse, la tâche est devenue plus facile.
« Le principe est assez simple : certaines bactéries proviennent toujours de l'homme, et les bactéries qui suivent leurs séquences dans l'analyse proviennent probablement aussi de l'homme. De cette façon, nous pouvons identifier des groupes d'espèces qui se succèdent au fil du temps », explique Patrick Munk.
Une nouvelle méthode améliore considérablement le taux de réussite
Les chercheurs ont déjà analysé les métagénomes, mais pas aussi efficacement qu’avec la nouvelle méthode.
« Dans cette nouvelle étude, nous avons identifié 1 334 espèces bactériennes jusqu'alors inconnues dans les eaux usées. En général, lors de l'analyse d'un métagénome constitué de 100 millions de petits fragments d'ADN, nous ne pouvions identifier l'origine que d'environ 10 % de l'ADN. Cependant, dans cette nouvelle étude, nous avons augmenté ce pourcentage à près de 70 % de l'ADN attribué à l'espèce à partir de laquelle nous avons récupéré un génome », explique Patrick Munk.
La capacité de détecter de nouvelles bactéries est essentielle, car ces bactéries peuvent être porteuses de gènes de résistance aux antimicrobiens jusqu’alors inconnus, et cette méthode pourrait potentiellement révéler de nouvelles sources de résistance aux antimicrobiens.
Il s'agit d'une étude observationnelle dans laquelle les chercheurs ont travaillé avec des données basées sur les bactéries présentes dans les échantillons d'eaux usées non traitées, mais ils n'ont pas eux-mêmes ajusté les variables pouvant affecter la fréquence de bactéries spécifiques. Cela introduit une certaine incertitude, et même si de nombreuses bactéries associées à l'homme se regroupent, ce n'est pas toujours le cas. L'étape suivante consiste à créer un ensemble de données synthétiques dans lequel les chercheurs savent quelles espèces bactériennes sont présentes et modifient activement les conditions pour observer les résultats.
« Nous n'avons pas encore de taux de réussite définitif pour cette méthode, mais il est clair que nous sommes sur la bonne voie. Nous devons optimiser davantage la méthode pour améliorer sa précision », déclare Patrick Munk.
FAITS:
Qu'est-ce qu'un métagénome ?
Tous les organismes vivants possèdent un matériel génétique (un génome) composé d'ADN. Les eaux usées et d'autres échantillons contiennent de nombreuses espèces différentes de microbes, notamment des bactéries et des virus. Lorsque vous extrayez l'ADN mixte de ces espèces, vous n'obtenez pas un seul génome, mais un métagénome. Si le génome de chaque espèce est comme un puzzle, alors le métagénome est comme un tas de puzzles mélangés. Les métagénomes peuvent répondre à des questions sur les organismes présents et leur fréquence, ce qui en fait un outil précieux pour surveiller les bactéries responsables de maladies et les gènes qui les rendent résistantes aux antibiotiques. À partir de chaque échantillon, des millions de fragments d'ADN sont lus et de nombreux échantillons peuvent être analysés par un superordinateur.
Choléra à Copenhague
Dans les canalisations menant à la station d'épuration d'Avedøre se cachent des bactéries que les chercheurs ne s'attendaient pas à trouver : des bactéries du choléra. Bien que les quantités soient très faibles, ce fut une grande surprise pour les chercheurs qui étudiaient les bactéries dans les stations d'épuration des eaux usées de cinq grandes villes européennes, dont les trois grandes stations de Copenhague : la station d'épuration d'Avedøre, la station d'épuration de Lynetten et la station d'épuration de Damhusåen.
On peut imaginer que la bactérie a été amenée dans la zone de l'usine d'Avedøre par une personne originaire d'une région du monde où le choléra infecte encore des personnes. Cette personne avait la bactérie dans son corps et a apporté des excréments au système d'égouts, après quoi la bactérie s'est installée dans les canalisations près de la station d'épuration et a commencé à s'y multiplier. Les chercheurs ont observé que la bactérie est restée près de l'usine semaine après semaine, mais qu'elle ne pouvait pas être trouvée plus en amont. Ils suggèrent donc que la bactérie ne provient pas continuellement de personnes actuellement malades, mais réside dans le biofilm des canalisations. Aucun cas de choléra n'a été enregistré au Danemark depuis 150 ans et la bactérie ne s'est pas propagée dans l'environnement. Cependant, des températures plus élevées pourraient affecter la propagation géographique du choléra et d'autres microbes potentiellement dangereux.
La nouvelle méthode d’étude permet de détecter l’origine de certaines bactéries et, bien que l’ADN des bactéries des trois usines de Copenhague soit presque identique, il existe encore de petites différences qui donnent à chaque plante sa propre signature unique.
La présence de bactéries du choléra à proximité de l'installation d'Avedøre est décrite dans un article scientifique distinct, issu également de la présente recherche et publié dans la revue Microbial Ecology.
