Des chercheurs découvrent une nouvelle méthode pour inhiber le choléra

«Des chercheurs de l'UTSA découvrent une nouvelle méthode pour inhiber le choléra», source communiqué du 2 novembre de l’University of Texas at San Antonio (UTSA).

Karl Klose, directeur du South Texas Center for Emerging Infectious Diseases (STCEID) a co-écrit un article de recherche avec Cameron Lloyd, un doctorant de l'UTSA qui a obtenu en août un doctorat. en microbiologie moléculaire et immunologie sous la direction de Klose.

L’article de recherche étudie une nouvelle stratégie pour inhiber la propagation et l'infection de Vibrio cholerae, la bactérie responsable de la maladie du choléra.

L'article de recherche est intitulé «A peptide-binding domain shared with an Antarctic bacterium facilitates Vibrio cholerae human cell binding and intestinal colonization» et a été publié dans The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

V. cholerae se trouve naturellement sur diverses surfaces dans les environnements marins. Lorsque de l'eau ou des aliments contaminés par V. cholerae sont consommés par des humains, ils colonisent le tractus gastro-intestinal et provoquent le choléra.

Selon les Centers for Disease Control and Prevention, le choléra est une infection intestinale qui provoque de la diarrhée, des vomissements, un collapsus circulatoire et un choc. S'ils ne sont pas traités, 25 à 50% des cas graves de choléra peuvent être mortels. Le choléra est l'une des principales causes de diarrhée épidémique dans certaines régions du monde et l'Organisation mondiale de la santé (OMS) estime que jusqu'à quatre millions de personnes sont infectées chaque année.

Lloyd a appris à étudier V. cholerae, à manipuler génétiquement la bactérie et à mesurer sa capacité à propager des maladies, à se lier aux globules rouges et à former des biofilms, qui sont des surfaces sur lesquelles se forment des communautés de bactéries plus résistantes aux antibiotiques.

«En tirant parti des similitudes structurelles des domaines fonctionnels de deux grandes adhésines [composants de la surface cellulaire ou appendices de bactéries qui facilitent l'adhésion à d'autres cellules, généralement chez l'hôte qu'elles infectent ou dans lequel elles vivent] produites par deux organismes différents, nous avons été capable de caractériser un inhibiteur efficace de la colonisation intestinale et de la formation de biofilm», a dit Lloyd.

En collaboration avec les laboratoires de Peter Davies, titulaire de la chaire de recherche du Canada en génie des protéines et professeur de sciences biomédicales et moléculaires à l'Université Queens, au Canada, et d'Ilja Voets, professeur de génie chimique et de chimie à l'Université d'Eindhoven, aux Pays-Bas, Lloyd et Klose ont identifié avec succès un peptide, une courte chaîne d'acides aminés qui composent les protéines, qui peuvent inhiber la virulence de V. cholerae.

Ils ont découvert que les inhibiteurs peptidiques qui se lient à Marinomonas primoryensis, une bactérie antarctique qui adhère aux microalgues de la même manière que V. cholerae adhère aux intestins humains, peuvent également empêcher V. cholerae d'adhérer aux cellules humaines, formant des biofilms et colonisant le tube digestif.

«Nous avons démontré que ces inhibiteurs peptidiques pouvaient inhiber à la fois la formation de biofilms et la colonisation intestinale par V. cholerae», a dit Klose. «Il est possible que cela fasse partie de stratégies d'intervention visant à empêcher ces bactéries de provoquer des maladies et de persister dans l'environnement.»

Guerre dans l'intestin: Comment le microbiote humain résiste à la bactérie du choléra

«Guerre dans l'intestin: Comment le microbiote humain résiste à la bactérie du choléra», source EurekAlert! Via l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne.

Croissance et compétition de V. cholerae sur des surfaces naturelles (gauche). La zone encadrée est agrandie à droite et montre la destruction d'une bactérie (indiquée par la flèche rouge) par les deux cellules de V. cholerae. Crédit M. Blokesch & G. Knott (EPFL)

Le choléra est toujours un énorme problème. Une maladie diarrhéique aiguë, il y a eu sept pandémies majeures au cours des deux cents dernières années. Selon l'OMS, le choléra tue encore jusqu'à 143 000 personnes chaque année et infecte jusqu'à 4 millions d'autres, principalement dans les pays pauvres ou sous-développés.

Le choléra est causé par la bactérie Vibrio cholerae, un agent pathogène d'origine hydrique qui infecte l'intestin des humains lorsqu'ils boivent de l'eau contaminée. Lors de l'ingestion, Vibrio cholerae commence à coloniser la surface interne de l'intestin et libère une toxine sur les cellules épithéliales. La toxine perturbe l'équilibre ionique à travers les parois de l'intestin, provoquant l'excrétion de diarrhée aqueuse. Un choléra sévère peut entraîner la mort en raison d'une déshydratation sévère.

Mais ce n'est pas tout ce que fait V. cholerae. En 2015, des chercheurs dirigés par la professeur Melanie Blokesch à l'EPFL ont publié un article fondateur montrant que la bactérie utilise une lance à ressort pour poignarder les bactéries voisines et voler leur ADN au fur et à mesure qu'elle se développe dans son habitat environnemental. Cette lance moléculaire connue sous le nom de «système de sécrétion de type VI» ou T6SS a déjà été décrite pour servir la compétition interbactérienne. «La consommation d'eau contaminée dans les régions du monde où le choléra est endémique devrait contenir V. cholerae actif pour le T6SS prêt pour la compétition», explique Blokesch.

Pièces manquantes du puzzle

Des études antérieures ont montré que les pathogènes intestinaux doivent interagir avec les bactéries du microbiome intestinal pour s'établir dans cet environnement. Ils le font en utilisant une variété de tactiques, allant de la compétition pour les nutriments à la guerre interbactérienne totale. Plusieurs études ont suggéré que les pathogènes intestinaux utilisent leur lance T6SS pour nettoyer la niche intestinale et favoriser leur propre installation.

Mais étudier comment V. cholerae interagit avec le microbiome intestinal est difficile. Normalement, les scientifiques développeraient un modèle animal adulte standardisé, mais V. cholerae est connu pour coloniser relativement mal les animaux adultes par rapport aux humains. Cela signifie que les chercheurs doivent recourir à des animaux en bas âge, mais ceux-ci manquent du microbiome mature avec lequel V. cholerae interagit dès qu'il commence à coloniser l'intestin.

Parallèlement, de nombreuses études ont montré que la résistance à la colonisation par V. cholerae et d'autres bactéries infectieuses dépend dans une large mesure des microbes dits «commensaux» dans l'intestin. Les microbes commensaux, et en particulier ceux de l'intestin humain, n'ont pas fait l'objet de beaucoup de recherches en termes d'interaction avec V. cholerae.

Résistance intestinale

Dans un article publié dans Nature Communications, le groupe de Blokesch a désormais examiné la manière dont V. cholerae interagit avec les bactéries du microbiote humain. Les scientifiques ont examiné une petite collection de commensaux de volontaires humains, qui comprenait plusieurs espèces bactériennes telles que Escherichia coli, Enterobacter cloacae et divers isolats de Klebsiella.

Leurs résultats ont montré que bien que plusieurs espèces de bactéries intestinales soient épuisées à la suite d'attaques médiées par le T6SS par V. cholerae, un sous-ensemble important y résiste. Concrètement, certaines espèces intestinales de Klebsiella se protègent contre les attaques T6SS de V. cholerae grâce à une capsule polysaccharidique caractéristique des bactéries dites «encapsulées».

Parce qu'il s'agit d'un dispositif de destruction très efficace, les bactéries comme V. cholerae qui utilisent le T6SS ont également des moyens de se protéger pour éviter l'auto-intoxication. Pour ce faire, les bactéries utilisant le T6SS produisent des protéines immunitaires spécifiques qui bloquent les effets toxiques du T6SS.

Mais l'étude a révélé que certains membres du microbiote humain se protègent eux-mêùes des attaques de T6SS sans emprunter la voie des immunité-protéines. Plus précisément, l'étude a montré que E. cloacae, lui-même un pathogène opportuniste, riposte en tuant d'abord V. cholerae avec ses propres armes T6SS supérieures.

«Ces travaux nous fournissent de nouvelles informations sur le comportement des communautés bactériennes au sein du microbiote intestinal et sur la manière dont la défense contre l'intoxication au T6SS pourrait aider les populations bactériennes à se défendre contre les pathogènes envahissants», explique Mélanie Blokesch. Mais elle souligne également que l'étude a été réalisée in vitro, ce qui signifie que des études supplémentaires sont nécessaires si nous voulons obtenir une image plus complète.

«Néanmoins, nos travaux pourraient servir de point de départ pour concevoir de manière rationnelle des souches probiotiques protégées par le T6SS capables de restaurer des barrières de colonisation défectueuses ou d'améliorer l'efficacité des barrières», concluent les auteurs.

Enfin, Blokesch souligne la générosité des collègues qui ont partagé des souches bactériennes pour cette étude. Elle souligne également que tendre la main vers de nouvelles directions, dont la biologie de Klebsiella, auraient été beaucoup plus difficiles sans la merveilleuse collaboration avec Olaya Rendueles et Eduardo Rocha à l'Institut Pasteur de Paris.

«Plus encore que le message scientifique, ce qui m'a le plus plu, c'est l'aspect collaboratif (à l'intérieur et à l'extérieur du labo) dans cette histoire», confirme Nicolas Flaugnatti, post-doc dans le groupe Blokesch et premier auteur (partagé) de cette étude.

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Des forces mécaniques façonnent les motifs énigmatiques des biofilms bactériens

« Des forces mécaniques façonnent les motifs énigmatiques des biofilms bactériens », communiqué de Princeton University du 20 mars 2020.

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Faisant fi de leur nature visqueuse, les amas collants de bactéries appelées biofilms forment souvent des motifs complexes, semblables à des étoiles, au fur et à mesure de leur croissance. Désormais, des chercheurs de l'Université de Princeton ont combiné leur expertise en biologie moléculaire, en génie mécanique et en modélisation mathématique pour démêler les processus physiques sous-jacents à ces curieuses ondulations.

« D’une certaine façon, des motifs apparaissent sous forme de rayures, de zigzags et d’anneaux », a dit le co-auteur Ned Wingreen, professeur en sciences de la vie et professeur de biologie moléculaire au Lewis-Sigler Institute for Integrative Genomics. « C’est une de ces choses qui m’a toujours laissé perplexe. »

L'étude, publiée le 19 mars dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, aide à éclairer la croissance des bactéries dans divers environnements et pourrait également aider à investiguer sur les forces physiques qui régissent la croissance et le morphing des tissus humains.

« Cela s'ajoute à un corpus de travaux provenant d'une perspective mécanique qui dit que ce que nous voyons est le jeu des lois physiques », a déclaré Wingreen. « Cela nous aidera à comprendre dans quelle mesure certains de ces modèles influencent les propriétés du biofilm qui sont importantes sur le plan biologique et médical. »

Le travail est le dernier à découler d'une collaboration entre quatre membres du corps professoral qui étudient les biofilms sous plusieurs angles. Avec Wingreen, l'équipe comprend Andrej Košmrlj, professeur adjoint en génie mécanique et aérospatial, Howard Stone, professeur en génie mécanique et aérospatial et Bonnie Bassler, professeur en biologie moléculaire. Auparavant, ils ont travaillé ensemble pour développer une méthode pour décoller les biofilms des surfaces.

Dans cette étude, les chercheurs ont analysé la formation de biofilms de la bactérie Vibrio cholerae, qui est répandue dans les environnements aqueux et peut provoquer la maladie du choléra lorsqu'elle est ingérée par l'homme. Sur un substrat mou, les biofilms se développent initialement sous forme de couche plate mais deviennent plus tard ridés, avec des motifs radiaux et en zigzag de pics et de vallées. L'étude a montré que ces modèles dépendent de la douceur ou de la rigidité relative du substrat du biofilm, que les chercheurs ont manipulé en faisant varier la concentration de gélose utilisée pour remplir des boîtes de Petri.

Sur un substrat plus rigide, les rides apparaissent d'abord au centre d'un biofilm et se propagent vers l'extérieur, tandis que sur un substrat plus doux, les rides commencent à se former sur les bords et à se propager vers le centre. Dans les deux cas, les biofilms se retrouvent avec des motifs de rides en zigzag en leur centre et un motif plus ordonné de rayures radiales sur leurs bords extérieurs.

Vidéo en accéléré montrant la croissance d'un biofilm de V. cholerae sur gélose à 0,7%. Sur ce substrat rigide, les rides apparaissent d'abord au centre et se propagent vers l'extérieur. Vidéo eLife 2019;8:e43920 DOI:10.7554/eLife.43920

Ce processus est entraîné par un lien d’influences, y compris l’absorption par chaque bactérie des nutriments du substrat, ce qui conduit à une croissance inégale à mesure que les nutriments s’épuisent dans le centre du biofilm. Les bactéries produisent de nouveaux composants de la matrice extracellulaire à mesure qu'elles grandissent et elles produisent également des molécules qui font que les bactéries se collent les unes aux autres et au substrat.

« Il s'agit d'un processus très compliqué impliquant la croissance et la mécanique », a déclaré l'auteur principal Chenyi Fei, un étudiant diplômé de l'Institut Lewis-Sigler. « Pour le comprendre, nous avons construit ce que nous appelons un modèle chimio mécanique. Nous tenons compte des nutriments et de la croissance non uniforme du biofilm, et de la façon dont ces caractéristiques se traduisent par les forces mécaniques ou les contraintes qui s'accumulent. »

Le modèle a permis aux chercheurs de prédire quelles régions du biofilm subiraient un stress maximum à des moments particuliers, et donc de prédire où se formeraient les rides. Les prédictions correspondaient bien aux mesures expérimentales de formes tridimensionnelles de biofilms réels, a dit Fei, dont les travaux d’étudiant sont co-conseillés par Wingreen et Bassler.

« Chenyi a intelligemment intégré de nombreux mécanismes différents qui sont normalement étudiés séparément », a dit Košmrlj.

Vidéo en accéléré montrant la croissance d'un biofilm de V. cholerae sur une gélose à 0,4%. Sur ce substrat mou, les rides commencent à se former sur les bords du biofilm et à se propager vers son centre. Vidéo eLife 2019;8:e43920 DOI: 10.7554/eLife.43920

Un aspect clé du modèle est son adoption des analyses d'ingénierie classiques des instabilités mécaniques, qui ont déjà été appliquées à des problèmes tels que le flambement des voies ferrées à des températures extrêmes. Un type d'instabilité similaire fait que des matériaux mous comme les biofilms forment des rides.

« Au siècle dernier, les instabilités mécaniques étaient étudiées en vue de prévenir les mécanismes de défaillance des structures », a déclaré le co-auteur Sheng Mao, ancien chercheur postdoc à Princeton, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de Pékin. « Mais dans une nouvelle série d’études, nous essayons d'exploiter ces instabilités mécaniques pour fabriquer des structures accordables à diverses fins », comme les matériaux mous développés pour traiter les blessures et les maladies grâce à l'ingénierie tissulaire.

En plus de faire progresser les connaissances sur la façon dont les cellules en croissance interagissent avec les substrats mous, les chercheurs prévoient de s'appuyer sur leurs résultats pour approfondir les cycles de vie bactériens, y compris le stade de dispersion au cours duquel certaines cellules bactériennes se détachent d'un biofilm, sortent de la structure et colonisent de nouveaux domaines.

Des bactéries comme V. cholerae « sont des opportunistes », a déclaré Wingreen. «Ils entrent, s'emparent de certains territoires, s'étendent, mangent tout ce qu'elles peuvent, puis s'en vont. Mais ce dernier aspect, la dispersion, est sous-étudié, et la physique et la mécanique de la dispersion vont offrir des défis intéressants. »

En plus de Wingreen, Košmrlj, Stone, Bassler, Fei et Mao, d'autres co-auteurs de l'étude étaient Jing Yan, un ancien chercheur postdoc qui est maintenant professeur adjoint à l'Université de Yale et Ricard Alert, boursier postdoc au Princeton’s Center for Theoretical Science.

Ce travail a été financé en partie par le Howard Hughes Medical Institute, les National Institutes of Health des États-Unis et la National Science Foundation, y compris un prix NSF au Princeton Center for Complex Materials.

Les surprises de l’épidémie de choléra au Yemen décryptée grâce à la génomique

Article écrit à partir des sources suivantes :

• Communiqué de l’Institut Pasteur du 3 janvier 2019, « L’épidémie de choléra au Yémen décryptée grâce à la génomique »
• CIDRAP News du 3 janvier 2019, « Genetic probe finds surprises in Yemen's cholera outbreak ».

Lorsque la bactérie Vibrio cholerae responsable du choléra arrive sur un nouveau continent - logée dans l’intestin d’un voyageur infecté -, elle ne déclenche pas systématiquement d’épidémie. Parfois la bactérie reste silencieuse, parfois elle se propage rapidement au sein de la population et fait des ravages comme actuellement au Yémen.

Depuis septembre 2016, plus d’1 million de personnes ont été touchées par cette infection diarrhéique aiguë et 2 300* en sont mortes.

Quelles sont les voies de circulation les plus empruntées par ces bactéries ? Est-il possible de suivre, voire d’anticiper, les épidémies de choléra à travers le monde ?

Pour tenter de répondre à ces questions, des chercheurs de l’Institut Pasteur et du Wellcome Trust Sanger Institute (Royaume-Uni), en collaboration avec plusieurs institutions internationales, se sont justement intéressés à l’épidémie de choléra qui sévit au Yémen. Grâce aux outils de la génomique, ils ont pu lever le voile sur l’histoire de ces souches et confirmer la possibilité d’avoir une vision globale de la circulation du vibrion cholérique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature le 2 janvier 2019.

« De façon inhabituelle, l’épidémie n’a pas explosé immédiatement. Il y a eu une première vague épidémique en 2016, relativement à bas bruit, puis une explosion majeure en 2017. Les deux vagues étaient tellement différentes que l’on s’est demandé s’il ne s’agissait pas de deux souches bactériennes distinctes », poursuit Marie-Laure Quilici, scientifique dans l’unité des Bactéries pathogènes entériques de l’Institut Pasteur et responsable du Centre national de référence des Vibrions et du choléra. Pour résoudre cette énigme, les chercheurs décident de se tourner vers la génomique. L’outil leur a déjà permis, lors d’une précédente étude, de mettre en évidence l’origine asiatique des souches cholériques qui circulent en Afrique et d’identifier deux portes d’entrée principales de la bactérie sur le continent, l’Afrique de l’Est et l’Afrique de l’Ouest.

L’équipe a séquencé 42 échantillons prélevés au Yémen et dans un centre de réfugiés situé à la frontière avec l’Arabie Saoudite et les a comparés à une collection mondiale de plus de 1 000 échantillons provenant d’une pandémie en cours depuis les années 1960 et causée par un seule lignée de V. cholerae, appelée 7PET.

La souche qui alimente l'épidémie au Yémen est similaire à celle qui a été observée pour la première fois en Asie du Sud en 2012 et qui s'est répandue dans le monde entier, mais elle n'est pas arrivée directement d'Asie du Sud ou du Moyen-Orient. Avant d'arriver au Yémen, la souche circulait et provoquait des épidémies en Afrique de l'Est en 2013 et 2014.

Les experts avaient pensé que les épidémies au Yémen avaient été causées par deux souches différentes, mais l'étude a révélé qu'elles étaient imputables à la même souche qui est entrée au Yémen en 2016. Une autre découverte inattendue est que la souche de choléra au Yémen est sensible à de nombreux antibiotiques - la plupart des épidémies sont résistantes à plusieurs antibiotiques.

« Cette étude illustre une nouvelle fois la nécessité d’associer données épidémiologiques et données de laboratoire pour suivre la circulation des souches et mieux contrôler le choléra. » insiste Marie-Laure Quilici. Ces nouveaux résultats confirment en effet la pertinence des analyses génomiques pour appréhender les voies de migrations du choléra et avoir une vision globale de la situation.

* Certaines publication citent le chiffre de 2500 décès.