Quand des souches de E. coli jouent au jeu pierre-papier-ciseaux, ce n'est pas la plus forte souche qui survit

«Quand des souches de E. coli jouent au jeu pierre-papier-ciseaux, ce n'est pas la plus forte souche qui survit», source UC San Diego.

Une nouvelle étude de l'UC San Diego révèle une dynamique cachée des colonies de bactéries.

Les bactéries sont partout autour de nous, pas seulement dans les salles de bain ou les plans de travail de la 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 vitaux.

Que se passe-t-il lorsque différentes souches de bactéries sont présentes dans le même système? Coexistent-elles? Les plus fortes survivent-elles ? 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 « Survival of the weakest in non-transitive asymmetric interactions among strains of E. coli » (Survie des interactions asymétriques non transitives parmi les souches de E. coli les plus faibles), ont été publiés dans une édition récente de Nature Communications.

L'équipe de recherche était composée du professeur de bioingénierie et de biologie moléculaire Jeff Hasty, Michael Liao et Arianna Miano, tous deux étudiants diplômés en bioingénierie et Chloe Nguyen, étudiante de premier cycle en bioingénierie. Ils ont conçu trois souches de E. coli (Escherichia coli) afin que chaque souche produise une toxine qui pourrait tuer une autre souche, tout comme un jeu de pierre-papier-ciseaux.

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 voulions 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 une boîte de Petri pendant plusieurs semaines. Lorsqu'ils sont revenus, ils ont remarqué que, dans plusieurs expériences, la même population occupait 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 les dynamiques cachées en jeu.

Il y avait deux hypothèses, soit la population moyenne (appelée «l'ennemie de la plus forte» comme la souche que la plus forte voudrait attaquer) va gagner, soit la population la plus faible va gagner. Leur expérience a montré que, étonnamment, la deuxième hypothèse était vraie: la population la plus faible a systématiquement pris le dessus sur la boîte.

Pour en revenir à l'analogie pierre-papier-ciseaux, si nous supposons que la souche «pierre» de E.coli a la toxine la plus forte, elle tuera rapidement la souche «ciseaux». Puisque la souche ciseaux était la seule capable de tuer la souche «papier», la souche de papier n'a plus d'ennemi. Elle est libre de nuire à la souche pierre sur une période de temps, tandis que la souche pierre 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 profils 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 boîte de gélose.

On estime que les microbes sont plus nombreux que les cellules humaines 10 contre 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 de concevoir des écosystèmes équilibrés qui peuvent coexister pendant de longues périodes peut offrir de nouvelles possibilités passionnantes pour les biologistes synthétiques et de 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 de la recherche, Sandra Brown, a déclaré: «L'association de la biologie moléculaire et de la bioningénierie a permis la découverte avec le potentiel d'améliorer la santé des personnes dans le monde. Il s'agit d'une découverte qui ne s'est peut-être jamais produite s'ils ne travaillaient pas en collaboration. C'est un autre témoignage de la puissance de la recherche multidisciplinaire de l'UC San Diego.»

Modèle informatique de trois souches de E. coli, placées en groupes, pour voir quelle souche dominera. Etude menée par UC San Diego's BioCircuits Institute.