Dans le kéfir, le travail d'équipe microbien fait fonctionner le rêve

La capacité des espèces microbiennes du kéfir à rester ensemble et à collaborer est ce qui fait leur succès - par exemple, en exploitant des ressources nutritionnelles qui ne seraient pas disponibles autrement. Crédit Rayne Zaayman-Gallant/EMBL.

«Dans le kéfir, le travail d'équipe microbien fait fonctionner le rêve», source EMBL.

Une nouvelle étude montre comment la coopération entre les espèces bactériennes leur permet de prospérer en tant que communauté.

Pour fabriquer du kéfir, il faut une équipe. Une équipe de microbes.

C'est le message de la nouvelle étude de l'EMBL (European Molecular Biology Laboratory) et du groupe Patil et de ses collaborateurs de l'Université de Cambridge, publiée dans Nature Microbiology. Les membres du groupe étudient le kéfir, l’un des produits alimentaires fermentés les plus anciens au monde et de plus en plus considéré comme un ‘super-aliment’ avec de nombreux bienfaits supposés pour la santé, notamment une meilleure digestion et une baisse de la tension artérielle et de la glycémie. Après avoir étudié 15 échantillons de kéfir, les chercheurs ont découvert à leur grande surprise que les espèces dominantes de bactéries Lactobacillus retrouvées dans les grains de kéfir ne peuvent survivre seules dans le lait, l'autre ingrédient clé du kéfir. Cependant, lorsque les espèces travaillent ensemble - se nourrissant des métabolites de l’autre dans la culture du kéfir - elles fournissent chacune quelque chose dont l’autre a besoin.

«La coopération leur permet de faire quelque chose qu’ils ne pourraient pas faire seuls», dit Kiran Patil, chef de groupe et auteur correspondant du document. «Il est particulièrement fascinant de voir comment L. kefiranofaciens, qui domine la communauté du kéfir, utilise les grains de kéfir pour lier tous les autres microbes dont il a besoin pour survivre - tout comme l'anneau dirigeant du Seigneur des Anneaux. Un grain pour les lier tous.»

Un modèle d'interactions microbiennes

La consommation de kéfir est à l'origine devenue populaire en Europe de l'Est, en Israël et dans les régions de Russie et des alentours. Il est composé de «grains» qui ressemblent à de petits morceaux de chou-fleur et ont fermenté dans du lait pour produire une boisson probiotique composée de bactéries et de levures.

«Les personnes stockaient le lait dans des peaux de mouton et ont remarqué que ces céréales qui en émergeaient empêchaient leur lait de se gâter, afin de pouvoir le conserver plus longtemps», explique Sonja Blasche, post-doc dans le groupe Patil et coauteur de l'article. «Parce que le lait se gâte assez facilement, trouver un moyen de le conserver plus longtemps était d'une grande valeur.»

Pour fabriquer du kéfir, vous avez besoin de grains de kéfir. Ceux-ci ne peuvent pas être fabriqués artificiellement, mais doivent provenir d'un autre lot de kéfir. Les grains sont ajoutés au lait pour fermenter et se cultiver. Environ 24 à 48 heures plus tard (ou, dans le cas de cette recherche, 90 heures plus tard), les grains de kéfir ont consommé les nutriments dont ils disposaient. Les grains croissent en taille et en nombre pendant ce temps et le processus du kéfir est terminé. Les grains sont retirés et ajoutés au lait frais pour recommencer le processus.

Pour les scientifiques, cependant, le kéfir fournit plus qu'une simple boisson saine: c'est une communauté microbienne modèle facile à cultiver pour étudier les interactions métaboliques. Et tandis que le kéfir est assez similaire au yogourt à bien des égards - les deux sont des produits laitiers fermentés ou cultivés avec pleins de «probiotiques», la communauté microbienne du kéfir est beaucoup plus grande que celle du yogourt, comprenant non seulement les cultures bactériennes, mais aussi des levures.

Apprendre du kéfir

Alors que les scientifiques savent que les micro-organismes vivent souvent dans des communautés et dépendent de leurs confrères pour survivre, les connaissances mécanistes de ce phénomène sont assez limitées. Les modèles de laboratoire ont toujours été limités à deux ou trois espèces microbiennes, de sorte que le kéfir offrait - comme le décrit Kiran, une ‘zone habitable’ (ou Goldilocks zone en anglais) de complexité qui n'est pas trop petite (environ 40 espèces), mais pas trop difficile à étudier en détail.

Sonja a commencé cette recherche en collectant des échantillons de kéfir à plusieurs endroits. Si la plupart des échantillons ont été obtenus en Allemagne, ils sont probablement originaires d’ailleurs, car les grains de kéfir ont été transmis au fil des siècles.

«Notre première étape a consisté à examiner la croissance des échantillons. Les communautés microbiennes de kéfir ont de nombreuses espèces membres avec des modèles de croissance individuels qui s'adaptent à leur environnement actuel. Cela signifie des espèces à croissance rapide et lente et certaines qui modifient leur vitesse en fonction de la disponibilité des nutriments», explique Sonja. «Ce n'est pas unique à la communauté du kéfir. Cependant, la communauté du kéfir avait beaucoup de temps pour que la co-évolution l'amène à la perfection, car ils sont restés ensemble depuis longtemps déjà.»

La coopération est la clé

Découvrir l'étendue et la nature de la coopération entre les microbes du kéfir était loin d'être simple. Pour ce faire, les chercheurs ont combiné une variété de méthodes de pointe telles que la métabolomique (étude des processus chimiques des métabolites), la transcriptomique (étude des transcriptions de l'ARN produit par le génome) et la modélisation mathématique. Cela a révélé non seulement des agents d'interaction moléculaire clés comme les acides aminés, mais également la dynamique des espèces contrastées entre les grains et la partie laitière du kéfir.

«Le grain de kéfir sert de camp de base pour la communauté de kéfir, à partir de laquelle les membres de la communauté colonisent le lait d'une manière complexe mais organisée et coopérative», explique Kiran. «Nous voyons ce phénomène dans le kéfir, puis nous voyons qu’il n’est pas limité au kéfir. Si vous regardez le monde entier des microbiomes, la coopération est également une clé de leur structure et de leur fonction.»

En fait, dans un autre article du groupe de Kiran en collaboration avec le groupe de Bork de l'EMBL, dans Nature Ecology and Evolution, les scientifiques ont combiné les données de milliers de communautés microbiennes à travers le monde, du sol à l'intestin humain, pour comprendre des relations de coopération similaires. Dans ce deuxième article, les chercheurs ont utilisé une modélisation métabolique avancée pour montrer que les groupes coexistants de bactéries, groupes que l'on trouve fréquemment ensemble dans différents habitats, sont soit hautement compétitifs, soit hautement coopératifs. Cette polarisation brutale n’a jamais été observée auparavant et jette un éclairage sur les processus évolutifs qui façonnent les écosystèmes microbiens. Bien que les communautés compétitives et coopératives prévalent, les coopérateurs semblent mieux réussir en termes d'abondance plus élevée et d'occupation de divers habitats. Plus forts ensemble.