Cataloguer l'arsenal caché de la nature: les virus qui infectent les bactéries

Image artistique des phages. (Crédit Antara Mutalik)

«Cataloguer l'arsenal caché de la nature: les virus qui infectent les bactéries», source Doe/Lawrence Berkeley National Laboratory.

Une nouvelle approche génétique peut accélérer l'étude des interactions phages-microbes avec des implications pour la santé, l'agriculture et le climat.

Des scientifiques recherchent continuellement des moyens nouveaux et améliorés afin de lutter contre les bactéries, que ce soit pour éliminer les souches pathogènes ou pour modifier des souches potentiellement bénéfiques. Et malgré les nombreux médicaments intelligents et outils de génie génétique inventés par les humains pour ces tâches, ces approches peuvent sembler maladroites par rapport aux attaques finement réglées menées par des phages, les virus qui infectent les bactéries.

Les phages, comme d'autres parasites, sont des moyens en constante évolution pour cibler et exploiter leur souche bactérienne hôte spécifique, et à leur tour, les bactéries sont en constante évolution des moyens pour échapper aux phages. Ces batailles perpétuelles pour la survie produisent des arsenaux moléculaires incroyablement diversifiés que les chercheurs ont hâte d'étudier, mais cela peut être fastidieux et laborieux.

Pour mieux comprendre ces stratégies défensives, une équipe dirigée par des scientifiques du Berkeley Lab vient de développer une nouvelle méthode efficace et peu coûteuse. Comme indiqué dans PLOS Biology, l'équipe a montré qu'une combinaison de trois techniques peut révéler les récepteurs bactériens que les phages exploitent pour infecter la cellule, ainsi que les mécanismes cellulaires utilisés par les bactéries pour répondre à une infection par phages.

«Malgré près d'un siècle de travail moléculaire, les mécanismes sous-jacents des interactions phage-hôte ne sont connus que pour quelques paires, où l'hôte est un organisme modèle bien étudié qui peut être cultivé en laboratoire», a déclaré l'auteur correspondant Vivek Mutalik, chercheur au sein de la division Génomique environnementale et biologie des systèmes (EGSB) du Berkeley Lab. «Cependant, les phages représentent les entités biologiques les plus abondantes sur Terre et, en raison de leur impact sur les bactéries, ils sont les principaux moteurs des cycles des nutriments environnementaux, de la production agricole et de la santé humaine et animale. Il est devenu impératif d’acquérir des connaissances plus fondamentales sur ces interactions afin de mieux comprendre les microbiomes de la planète et de développer de nouveaux médicaments, tels que des vaccins à base de bactéries ou des cocktails de phages pour traiter les infections résistantes aux antibiotiques.»

L’approche en trois volets de l’équipe, appelée bibliothèques de perte de fonction et de gain de fonction avec code-barres, utilise la technique établie de création de suppressions de gènes et d’augmentation de l’expression des gènes pour identifier les gènes que les bactéries utilisent pour échapper aux phages. Ces informations indiquent également aux scientifiques quels récepteurs les phages ciblent sans avoir à analyser les génomes des phages. (Cependant, les scientifiques prévoient d'adapter la technique pour une utilisation sur les virus à l'avenir, pour en apprendre encore plus sur leur fonction.)

Mutalik et ses collègues ont testé leur méthode sur deux souches de E. coli connues pour être ciblées par 14 phages génétiquement divers. Leurs résultats ont confirmé que la méthode fonctionne correctement en révélant rapidement la même suite de récepteurs de phages qui avait été précédemment identifiée au cours de décennies de recherche, et a également fourni de nouveaux résultats qui ont été manqués dans des études antérieures.

Selon Mutalik, l'approche peut également être étendue pour évaluer simultanément les relations phagiques pour des centaines de bactéries prélevées dans divers environnements. Cela permettra aux scientifiques d’étudier beaucoup plus facilement la «matière noire» biologique de la planète, qui fait référence aux micro-organismes incultes et donc mal compris qui abondent dans de nombreux environnements. En fait, on estime que 99% de tous les micro-organismes vivants ne peuvent pas être cultivés dans un laboratoire.

L’approche de l’équipe représente également une opportunité de normaliser les ressources génétiques utilisées dans la recherche sur les phages, qui a toujours été un processus ad hoc et très variable, et de créer des réactifs et des ensembles de données partageables.

«Le rôle des phages est un énorme 'connu-inconnu'», car nous savons qu'il y a des phages partout, mais nous ne savons presque rien de plus. Par exemple, nous comprenons moins de 10% des gènes codés dans les génomes de phages précédemment séquencés», a déclaré Mutalik. «Maintenant que nous avons enfin un outil rationalisé pour examiner les phages, il y a de nombreuses questions passionnantes auxquelles nous pouvons commencer à répondre et une opportunité de faire une différence dans le monde.»

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.

La nourriture de votre animal de compagnie vous rend-elle malade? Une étude révèle que beaucoup de propriétaires ne connaissent pas les risques

« La nourriture de votre animal vous rend-elle malade? Une étude révèle que beaucoup ne connaissent pas les risques », source communiqué de l’Université Perdue du 18 août 2020.

Chaque année, plus de 50 millions d'Américains développent des problèmes gastro-intestinaux qui les amènent à remettre en question la sécurité sanitaires de leurs repas les plus récents. Il est tout à fait possible que leur détresse ne soit pas causée par la nourriture qu'ils ont mangée, mais par les repas servis à leurs amis à poils.

Une étude menée par Yaohua «Betty» Feng de l'Université Purdue, professeur adjoint en science des aliments, a montré que de nombreux Américains ne se lavent pas les mains après avoir nourri ou joué avec leurs chats et chiens et ne sont pas conscients du risque de contracter une maladie d'origine alimentaire liée à ces activités.

« Presque tous les propriétaires de chiens et de chats interagissent étroitement avec leurs animaux de compagnie avec des câlins, dormir avec eux, les embrasser, mais après ces interactions, moins d'un tiers d'entre eux se lavent les mains avec du savon », a dit Feng, dont les résultats ont été publiés dans le Journal of Protection. « Ils ne considèrent pas vraiment qu'ils pourraient tomber malades ou qu'un pathogène d'origine alimentaire pourrait être transféré de leur animal à eux-mêmes. »

(...)

Il y a eu plus d'une douzaine de rappels d'aliments pour animaux de compagnie en 2020 aux Etats-Unis en raison de la présence d'un agent pathogène d'origine alimentaire. L'année dernière, plus de 150 personnes ont été atteintes de salmonelles dans des friandises pour chiens à oreilles de porc.

« Certains chiens et chats ne présentent pas de symptômes, même s'ils ont été contaminés par des agents pathogènes d'origine alimentaire comme Salmonella. Ils ont le potentiel de partager ces agents pathogènes avec leurs propriétaires lorsqu'ils interagissent avec eux », a déclaré Feng.

Selon l'enquête menée auprès de plus de 1000 propriétaires de chats et de chiens aux États-Unis:

• 93 pour cent des propriétaires d'animaux font des câlins à leur animal, 70 pour cent permettent à l'animal de le lécher, 63 pour cent dorment avec leur animal et 61 pour cent embrassent leur animal.
• Seulement 31 pour cent se lavent les mains après avoir joué avec leurs animaux de compagnie et 42 pour cent ne se lavent pas les mains après avoir nourri leurs animaux.
• 8 pour cent ont déclaré manger de la nourriture pour animaux de compagnie.

L'étude a montré que 78% des personnes n'étaient pas au courant des récents rappels d'aliments pour animaux de compagnie ou des éclosions associées à des agents pathogènes d'origine alimentaire dans ces aliments. Un quart des personnes ne considèrent pas les aliments secs pour animaux de compagnie et les friandises comme des sources potentielles de ces agents pathogènes.

Les régimes alimentaires à base de viande crue ou de produits animaux crus sont de plus en plus répandus pour des bienfaits supposés pour la santé. L'étude a montré qu'environ 25% des répondants nourrissent leurs animaux de compagnie avec des aliments crus, mais environ la moitié de ces personnes n'ont pas déclaré se laver les mains après les avoir nourri et ont permis à leurs animaux de les lécher.

Feng a dit que les résultats suggèrent que les propriétaires d'animaux de compagnie ont besoin de plus d'éducation sur la sécurité sanitaire des aliments pour les animaux de compagnie et sur la manipulation appropriée des aliments et des animaux de compagnie pour éviter de contracter une maladie. Elle prévoit de développer du matériel qui répondra à ces problèmes.

Voici quelques conseils pour prévenir les propriétaires d'animaux de contracter des maladies d'origine alimentaire:

• Se laver les mains avec du savon et de l'eau après avoir préparé de la nourriture pour les animaux domestiques, avoir caressé ou joué avec des animaux, et avant de préparer de la nourriture pour les gens.
• Évitez de nourrir votre animal de compagnie avec de la viande crue.
• Manipulez et stockez soigneusement les aliments pour animaux de compagnie pour éviter toute contamination croisée.
• Tenez-vous informés des rappels d'aliments pour animaux de compagnie et conservez des registres des numéros de lot d'aliments pour animaux de compagnie et d'autres informations pour un suivi potentiel.

« Nous ne disons pas que vous ne devriez pas embrasser votre chien, mais vous devez connaître les risques et comment vous protéger contre la possibilité de contracter une maladie », a dit Feng. « Connaître les risques encourus par votre animal fera de vous un propriétaire d’animal averti et évitera certains des pièges qui pourraient vous rendre malade, vous ou votre animal. »

Résumé

La nourriture pour animaux de compagnie a été identifiée comme une source de bactéries pathogènes, notamment Salmonella et Escherichia coli. Une épidémie récente liée à des friandises pour animaux de compagnie contaminées par Salmonella a infecté plus de 150 personnes aux États-Unis. Le mécanisme par lequel les aliments contaminés pour animaux de compagnie conduisent à des maladies humaines n'a pas été expliqué. Les connaissances des propriétaires d’animaux sur la salubrité des aliments et leurs pratiques de manipulation des aliments pour animaux n’ont pas été signalées. Cette étude a évalué les connaissances des propriétaires d'animaux de compagnie en matière de sécurité des aliments et les pratiques de manipulation des aliments pour animaux grâce à une enquête en ligne auprès des consommateurs. L’enquête comprend 62 questions et évalue (1) les connaissances des propriétaires en matière de sécurité des aliments et les pratiques de manipulation des aliments pour animaux de compagnie; (2) l’interaction des propriétaires avec les animaux de compagnie; (3) la perception des risques par les propriétaires en ce qui concerne leur propre santé, celle de leurs enfants et celle de leurs animaux de compagnie.

L'enquête a été testée à titre pilote auprès de 59 propriétaires d'animaux avant d'être distribuée à un panel de consommateurs national, géré par Qualtrics XM. Tous les participants (n = 1 040) étaient propriétaires de chiens et/ou de chats aux États-Unis. Presque tous les propriétaires d'animaux ont interagi avec leurs animaux (93%) et la plupart ont fait des câlins, ont permis à leurs animaux de les lécher et ont couché avec leurs animaux de compagnie. Moins d'un tiers des propriétaires d'animaux se sont lavé les mains avec du savon après avoir interagi avec leurs animaux de compagnie.

Plus de la moitié (58%) des propriétaires ont déclaré se laver les mains après avoir nourri leur animal. La plupart des propriétaires d'animaux ont donné à leurs animaux des aliments secs et des friandises sèches. Certains ont donné à leurs animaux de compagnie de la viande crue ou des régimes de produits animaux crus parce qu’ils pensaient que ces régimes étaient bénéfiques pour la santé générale de leur animal. De nombreux propriétaires (78%) n'étaient pas au courant des rappels d'aliments pour animaux de compagnie ou des éclosions associées à des agents pathogènes d'origine alimentaire. Moins de 25% considéraient les aliments secs pour animaux de compagnie et les friandises comme une source potentielle d'agents pathogènes d'origine alimentaire. Les résultats de cette étude ont indiqué le besoin d'éducation des consommateurs sur la manipulation des aliments pour animaux de compagnie. Les données collectées peuvent aider à développer des modèles d'évaluation des risques plus précis et à sensibiliser les consommateurs à la manipulation des aliments pour animaux de compagnie.

Lire le communiqué de l’Académie nationale de médecine : Masquez-vous, masquez-vous, masquez-vous

Phages et bactéries : une guerre au sein du biofilm

Légende en fin d'article

« Phage and bacteria: a war in a biofilm » (Phages et bactéries : une guerre au sein du biofilm), par Nicola Stanley-Wall, Université de Dundee, UK. Article paru dans le bulletin de septembre 2019 de la Society for Applied Microbiology.

Il est clair que les bactéries et les phages coexistent dans de nombreux environnements complexes et variés. Cependant, il n'est peut-être pas toujours évident de savoir qui gagnera la partie quand survient une interaction. Pour ajouter à la complexité, des travaux récents ont montré que les bactéries peuvent faire pencher la balance pour survivre en présence d'un phage prédateur lorsqu'elles forment des biofilms. C'est le changement de mode de vie qui assure la protection, pas la génétique.

Les biofilms sont des communautés structurées de micro-organismes attachés à une surface et enfermés dans une matrice extracellulaire autoproduite. La matrice du biofilm est de nature dynamique et remplit de multiples fonctions pour la communauté sessile. Cela inclut la séquestration des nutriments et l’absorption d’eau, protégeant les cellules résidentes du stress environnemental et de la compétition et servant de facilitateur de signalisation pour les cellules à la fois à l’intérieur et à l'extérieur du biofilm. Les recherches menées au cours des 10-15 dernières années ont montré qu'il existe une grande diversité dans la composition de la matrice des biofilms, à la fois entre biofilms polymicrobiens et entre biofilms monospécifiques; cependant, des composants les plus courants apparaissent. Ceux-ci comprennent les polysaccharides, l'ADN extracellulaire, les lipides et les protéines, dont certaines sont de nature fibreuse.

De plus en plus de preuves suggèrent qu’au moins une protéine fibrogène, qui confère une intégrité structurelle au biofilm, peut en outre offrir une protection aux bactéries résidentes contre la prédation par le phage.

La matrice du biofilm du biofilm de Escherichia coli s'est récemment avérée séquestrer et empêcher la diffusion d'un phage T7 lytique prédateur. En utilisant une série de souches bactériennes, il a été montré que la protection offerte par le biofilm dépendait de ‘curli’, fibres de protéines retrouvées dans la matrice extracellulaire. Les fibres de curli fabriquées par E. coli ont d'abord été visualisées par microscopie électronique à transmission et ont été rapidement remarquées pour leur haut niveau d'insolubilité et leur résistance aux protéases. La production de curli dépend de la réponse des cellules à une pénurie de nutriments, ce qui peut se produire dans un biofilm multicouches en raison de la stratification des cellules par rapport à une source de nutriments.

L’analyse microscopique a montré que les cellules de E. coli affamées deviennent fortement ‘curlées’; en substance, les fibres de protéines forment un réseau de ‘paniers moulés’ dans tout l’espace intercellulaire. C'est ce réseau de protéines qui structure la communauté bactérienne, élément du biofilm essentiel à la protection des cellules contre le phage lytique. Les fibres de curli fonctionnent de deux manières.

Premièrement, elles rassemblent les cellules du biofilm dans une structure étroitement liée. Cela empêche physiquement le phage d'entrer dans le biofilm. Cependant, le curli peut également se lier au phage, ce qui limite la mobilité du phage par séquestration. La conséquence est que les phages ne peuvent pas atteindre les cellules à l'intérieur de la communauté. Le résultat de cette interaction complexe phage-bactérie a été révélé par l'utilisation de la microscopie à haute résolution de biofilms vivants. Cela a permis de suivre la communauté des phages T7 et des bactéries dans l'espace et dans le temps. Il sera maintenant intéressant de voir s'il existe d'autres moyens de manipuler le résultat d'une interaction entre le phage et les bactéries. Les mécanismes connus sont susceptibles de se diversifier à mesure que l'étude des interactions bactéries-phages et les méthodes selon lesquelles l'analyse est conduite continuent de croître.

Références

Erskine E, Morris RJ, Schor M, Earl C, Gillespie RMC, Bromley KM et al. Formation of functional, non-amyloidogenic fibres by recombinant Bacillus subtilis TasA. Molecular Microbiology 2018; 110(6), 897–913.

Serra DO, Richter AM, Klauck G, Mika F, Hengge R. Microanatomy at cellular resolution and spatial order of physiological differentiation in a bacterial biofilm. mBio 2013; 4(2), e00103-00113.

Vidakovic L, Singh PK, Hartmann R, Nadell CD, Drescher K. Dynamic biofilm architecture confers individual and collective mechanisms of viral protection. Nature Microbiology 2018; 3(1), 26–31.

Légende de l’image

A droite, vue en microscopie électronique d’un bactériophage attaché à une cellule bactérienne. Le virus a la taille et la forme d’un coliphage T1; à gauche, biofilm de Staphylococcus aureus.