Les incroyables et variables bactéries qui vivent dans votre bouche

Photomicrographie montrant des cellules Rothia (bleu clair) dans leur habitat d'origine, un biofilm bactérien raclé sur la langue humaine. Crédit photo Jessica Mark Welch, Laboratoire de biologie marine.

«Les incroyables et variables bactéries qui vivent dans votre bouche», source Department of Organismic and Evolutionary Biology de l'Univesité d'Harvard.

Les bactéries présentent souvent une biogéographie très forte - certaines bactéries sont abondantes dans des endroits spécifiques alors qu'elles sont absentes dans d'autres - conduisant à des questions majeures lors de l'application de la microbiologie aux thérapies ou aux probiotiques: comment les bactéries sont-elles arrivées au mauvais endroit? Comment ajouter les bonnes bactéries au bon endroit lorsque la biogéographie est devenue 'désordonnée'?

Ces questions, cependant, ont un gros obstacle, les bactéries sont si petites et nombreuses avec des populations très diverses et compliquées, ce qui crée des défis majeurs pour comprendre quels sous-groupes de bactéries vivent où et quels gènes ou capacités métaboliques leur permettent de prospérer dans ces 'mauvais' endroits.

Dans une nouvelle étude publiée dans Genome Biology, des chercheurs de l'Université Harvard ont examiné le microbiome oral humain et découvert une variabilité impressionnante dans les sous-populations bactériennes vivant dans certaines zones de la bouche.

«En tant qu'écologistes microbiens, nous sommes fascinés par la façon dont les bactéries peuvent apparemment diviser n'importe quel habitat en diverses niches, mais en tant qu'êtres humains nous-mêmes, nous avons également cette curiosité innée sur la façon dont les microbes se structurent dans notre corps», a dit l'auteur principal, Daniel R. Utter, candidat au doctorat au Department of Organismic and Evolutionary Biology, Université Harvard.

Les développements récents dans le séquençage et les approches bioinformatiques ont offert de nouvelles façons de démêler la complexité des communautés bactériennes. Utter et Colleen Cavanaugh, professeur de biologie, se sont associés avec des chercheurs du Marine Biological Laboratory, de Woods Hole, de l'Université de Chicago et du Forsyth Institute pour appliquer ces approches du séquençage et d'analyses de pointe pour obtenir une meilleure image du microbiome oral.

«La bouche est l'endroit idéal pour étudier les communautés microbiennes» selon le co-auteur A. Murat Eren, professeur adjoint au Département de médecine de l'Université de Chicago. «Non seulement c'est le début du tractus gastro-intestinal, mais c'est aussi un environnement très spécial et petit, suffisamment diversifié sur le plan microbien pour que nous puissions vraiment commencer à répondre à des questions intéressantes sur les microbiomes et leur évolution.»

La bouche contient une quantité surprenante de microbes spécifiques sur site dans différentes zones. Par exemple, les microbes retrouvés sur la langue sont très différents des microbes retrouvés sur la plaque dentaire. «Les microbes de votre langue ressemblent plus à ceux qui vivent sur la langue de quelqu'un d'autre qu'à ceux qui vivent dans votre gorge ou sur vos gencives!», a dit Eren.

L'équipe a parcouru des bases de données publiques et téléchargé 100 génomes qui représentaient quatre espèces de bactéries couramment présentes dans la bouche, Haemophilus parainfluenzae et les trois espèces orales du genre Rothia, et les a utilisées comme références pour enquêter sur leurs parents échantillonnés dans des centaines de bouches de volontaires du Projet sur le microbiome humain (HMP ou Human Microbiome Project).

«Nous avons utilisé ces génomes comme point de départ, mais nous sommes rapidement allés au-delà d'eux pour sonder la variation génétique totale parmi les milliards de cellules bactériennes vivant dans notre bouche», a dit Utter. «Parce qu'en fin de compte, c'est ce qui nous intéresse, pas les quelques arbitraires qui ont été séquencés.»

En utilisant cette approche récemment développée appelée métapangénomique, qui combine les pangénomes (la somme de tous les gènes trouvés dans un ensemble de bactéries apparentées) avec la métagénomique (l'étude de l'ADN total provenant de toutes les bactéries d'une communauté), a permis aux chercheurs de mener une examen approfondi des génomes des microbes qui a conduit à une découverte choquante.

«Nous avons trouvé une énorme variabilité», a déclaré Utter. «Mais nous avons été choqués par la structure de cette variabilité à travers les différentes parties de la bouche, en particulier entre la langue, les joues et les surfaces dentaires.»

Par exemple, au sein d'une seule espèce microbienne, les chercheurs ont trouvé des formes génétiques distinctes qui étaient fortement associées à un seul site différent dans la bouche. Dans de nombreux cas, l'équipe a pu identifier une poignée de gènes qui pourraient expliquer l'habitat spécifique d'un groupe bactérien particulier. En appliquant la métapangénomique, les chercheurs ont également pu identifier les différences spécifiques entre les bactéries vivantes dans la bouche des gens et leurs parents cultivés en laboratoire.

«La résolution apportée par ces techniques - via la comparaison directe des génomes des bactéries «domestiquées» et «sauvages» - nous permet de disséquer ces différences gène par gène», note Cavanaugh. «Nous avons également pu identifier de nouvelles souches bactériennes liées, mais différentes de celles que nous avons mis en culture.»

«Après avoir identifié des candidats bactériens vraiment puissants qui pourraient déterminer l'adaptation à un habitat particulier, nous aimerions tester expérimentalement ces hypothèses», a dit Cavanaugh. Ces résultats pourraient potentiellement être la clé pour débloquer des probiotiques ciblés, où les scientifiques pourraient utiliser ce qui a été appris sur les exigences de l'habitat de chaque microbe pour concevoir des microbes bénéfiques pour venir dans un habitat spécifié.

«La bouche est si facilement accessible que les gens travaillent depuis longtemps sur les bactéries de la bouche», a dit la co-auteure Jessica Mark Welch, scientifique associée au laboratoire de biologie marine.

«Chaque environnement que nous avons examiné dans ces communautés de bactéries vraiment compliquées et complexes, mais pourquoi?» dit Mark Welch. «Comprendre pourquoi ces communautés sont si complexes et comment les différentes bactéries interagissent nous aidera à mieux comprendre comment réparer une communauté bactérienne qui nuit à notre santé, en nous indiquant quels microbes doivent être éliminés ou réintroduits.»

Cette étude et d'autres similaires peuvent fournir de nouvelles perspectives sur le rôle des microbes buccaux dans la santé humaine. «La capacité d'identifier des gènes spécifiques derrière l'adaptation de l'habitat a été en quelque sorte un 'Saint Graal' en écologie microbienne», a dit Utter. «Nous sommes très heureux de nos contributions dans ce domaine!»

Microbes et plantes: un duo dynamique

Vue rapprochée de cellules à l'intérieur d'une racine de sorgho, capturée par microscopie confocale.
Crédit Devin Coleman-Derr

«Microbes et plantes: un duo dynamique», source American Society of Agronomy via EurekAlert!

Le stress dû à la sécheresse a été un obstacle majeur au succès des cultures, et cet obstacle ne disparaîtra pas de sitôt. Heureusement, un duo dynamique comme Batman et Robin, certains microbes associés aux racines et aux plantes qu'ils habitent, sont là pour aider.

Les plantes et les animaux ont un lien étroit avec les microbes, comme les bactéries qui y vivent. Les microbes, les créatures qu'ils habitent et l'environnement qu'ils créent jouent tous un rôle essentiel dans la vie sur Terre.

«Nous savons que les microbiomes, qui sont les communautés de micro-organismes dans un environnement donné, sont très importants pour la santé des plantes», a déclaré Devin Coleman-Derr.

Coleman-Derr, scientifique à l'Université de Californie Berkeley, étudie l'impact de la sécheresse sur le microbiome du sorgho. Il a récemment présenté ses recherches lors de la réunion annuelle virtuelle 2020 de l'ASA-CSSA-SSSA.

Les résultats montrent que certaines bactéries vivant dans les racines du sorgho, une culture couramment cultivée pour l'alimentation animale, travaillent avec la plante pour réduire le stress dû à la sécheresse. Cette association unique mène au succès global de l'usine.

«Les plantes ont des hormones qui aident les plantes à décider comment dépenser leur énergie», explique Coleman-Derr. "Les microbes peuvent manipuler le système et modifier le processus décisionnel de la plante.»

Certaines bactéries et champignons sont destinés à habiter certaines plantes. Et les bactéries veulent que les racines qu'elles habitent soient leurs maisons de rêve. Si une bactérie s'associe à une plante pour l'aider à se développer par temps sec, elle se construit essentiellement une meilleure maison.

Pratiquement tous les aspects de la vie de la plante sont liés aux microbes présents. Lorsqu'une plante a soif, elle peut envoyer tout le microbiome en action.

La sécheresse provoque des changements dramatiques dans la façon dont les bactéries et les partenaires végétaux interagissent. Des bactéries supplémentaires peuvent être recrutées pour aider la plante à survivre au temps sec. Ces microbes peuvent influencer les hormones de la plante pour favoriser la croissance des racines, ce qui aidera la plante à atteindre plus d'eau.

«Nous voulons savoir si nous pouvons contrôler cela» a déclaré Coleman-Derr. «Est-il possible de manipuler le microbiome présent pour aider le sorgho à faire face au stress de la sécheresse?»

La résistance des cultures au stress environnemental est une préoccupation croissante pour les chercheurs et les agriculteurs, en particulier avec les changements climatiques mondiaux. Les nouveaux résultats de recherche sont importants pour développer des cultures capables de maintenir la productivité, même dans des conditions plus difficiles.

«Nous reconnaissons que le microbiome est dynamique et évolue avec le temps», a déclaré Coleman-Derr. «Alors que le jury est toujours sur la question de savoir si nous pouvons contrôler les microbiomes du sorgho, plusieurs laboratoires ont montré que certaines bactéries présentes pendant le stress de sécheresse conduisent à des résultats positifs pour les plantes.»

Comprendre les microbiomes végétaux est une grande partie des facteurs déterminants de la productivité des cultures. Heureusement, les plantes sont d'excellents modèles pour étudier les microbiomes.

La prochaine étape de cette quête consiste à déterminer si les microbiomes peuvent être manipulés et utilisés comme solution à la sécheresse dans les systèmes de production végétale.

«En déterminant si nous pouvons modifier le microbiome, nous pouvons travailler à la réalisation de notre objectif de créer des cultures plus productives avec moins d'intrants», a déclaré Coleman-Derr.

Comment les virus et les bactéries s'équilibrent dans le microbiome intestinal

Image de Stephanie King

« Comment les virus et les bactéries s'équilibrent dans le microbiome intestinal », source communiqué de l'Ecole de médecine de l'Université du Michigan.

Une petite course aux armements qui se déroule dans l'intestin pourrait éventuellement offrir une nouvelle façon de traiter les microbiomes déséquilibrés.

L'adage «tout avec modération» s'applique non seulement aux aliments et aux boissons, mais aussi aux légions de bactéries à l'intérieur de nos intestins qui nous aident à digérer ces aliments et ces boissons. Il s'avère que la règle peut également s'étendre aux bactériophages moins connus, qui sont des virus qui infectent les bactéries vivant à l'intérieur de nous. Comme les poupées gigognes russes, nos corps hébergent près de 100 billions de cellules bactériennes qui composent nos microbiomes - et ces cellules bactériennes ont leurs propres habitants.

« Nous apprécions de plus en plus que les entités microbiennes les plus abondantes dans l’intestin humain soient en fait des virus », dit Eric Martens, professeur de microbiologie et d’immunologie à la faculté de médecine de l’Université du Michigan. Son équipe a exploré la façon dont les bactéries et leurs virus semblent coexister dans l'intestin humain. Le secret peut résider dans une bactéri velue enrobée de sucre utilisée pour se défendre non seulement contre les attaques du système immunitaire humain, mais aussi contre divers virus cherchant un moyen d'entrer.

En utilisant une bactérie intestinale commune Bacteroides thetaiotaomicron ou BT en abrégé, l’équipe de Martens a commencé à se pencher sur l’interaction complexe entre BT et les virus, en les opposant les uns aux autres en laboratoire.

Lorsqu'elles ont été confrontées à des virus, ou des phages, collectés dans les eaux usées, certaines bactéries ont pu résister à l'infection, d'autres non. « Lorsqu'un phage particulier arrive et peut tuer certains membres de la population, il le fait et les bactéries résistantes se développent rapidement », explique Martens.

Cependant, au lieu de modifier de manière permanente le récepteur qui a permis la pénétration virale, et potentiellement de lui nuire, certaines bactéries passent temporairement à un état de résistance par un processus réversible appelé variation de phase. Mais certains membres de la population bactérienne, inconscients de la présence continue du phage, désactivent cet interrupteur de résistance, les laissant vulnérables à l’infection… et ainsi de suite.

L'équipe a génétiquement modifié la souche de BT pour exprimer une seule des huit capsules chimiquement distinctes et une version sans revêtement du tout. Dans tous les cas, l'infection peut être bloquée par certaines des capsules, mais pas toutes. Étonnamment, les chercheurs ont noté que les bactéries chauves étaient également capables d'échapper à l'infection. « Nous avons été intrigués de voir que nous pouvions emporter toutes les capsules et les infecter encore avec ces phages et que les bactéries pouvaient encore survivre, ce qui nécessite qu’elles aient un mécanisme de sauvegarde en place », explique Martens.

L'interaction entre le microbiome intestinal et leurs phages pourrait avoir des implications pour la maladie humaine. « L'une de nos hypothèses est que les individus portent différents types de charges virales dans leurs intestins. Certains pourraient être plus ou moins immunogènes, interagissant avec notre système immunitaire pour provoquer une inflammation. Mais ils pourraient aussi modifier la physiologie des bactéries présentes en les forçant à exprimer certaines fonctions/capsules dont nous savons également qu'elles interagissent avec le système immunitaire », explique Martens.

Il dit que l'étude aide à expliquer cette observation séculaire selon laquelle ces bactéries coexistent avec leurs virus. « Aucune des deux parties ne l'emporte nécessairement sur l'autre. » En tant que tels, les virus bactériens pourraient offrir un moyen de modifier avantageusement le microbiome intestinal pour le traitement de la maladie.

Référence

Phase-variable capsular polysaccharides and lipoproteins modify bacteriophage susceptibility in Bacteroides thetaiotaomicron. Nature Microbiology. DOI:10.1038/s41564-020-0746-5

Un peptide antimicrobien prévient la carie dentaire en régulant le microbiote de la plaque dentaire

« Un peptide antimicrobien GH12 prévient la carie dentaire en régulant le microbiote de la plaque dentaire », source Applied and Environmental Microbiology.

En raison de la microécologie complexe et du microenvironnement de la plaque dentaire, de nouvelles stratégies de prévention des caries nécessitent une modulation écologique des communautés microbiennes et une réduction efficace des propriétés cariogènes.

Le peptide antimicrobien GH12 a réduit la production d'acide lactique et la synthèse d'exopolysaccharides (EPS) d'un biofilm de Streptococcus mutans et d'un biofilm avec trois espèces in vitro dans des études antérieures.

Cependant, les effets anticaries et les effets microécologiques de la GH12 devaient encore être étudiés dans un modèle de biofilm complexe in vitro et un modèle de carie animale in vivo.

Dans la présente étude, le GH12 à 64 mg/litre a montré une inhibition la plus efficace de la production d'acide lactique, la synthèse d'EPS, la baisse du pH et l'intégrité de biofilms multi-espèces dérivés de la plaque dentaire humaine in vitro, et le GH12 à 64 mg/litre a donc été choisi pour être utilisé dans des essais ultérieurs in vitro et in vivo.

Lorsqu'ils ont été traités avec 64 mg/litre de GH12, les biofilms multi-espèces dérivés de la plaque dentaire prélevés sur des volontaires sains ont conservé leur diversité microbienne et ont montré une structure de communauté microbienne similaire à celle du groupe témoin.

Dans le modèle de carie chez le rat avec un régime favorisant la carie, le GH12 à 64 mg/litre régulait le microbiote de la plaque dentaire, dans lequel l'abondance des bactéries associées à la carie était diminuée et l'abondance des bactéries commensales augmentée.

En outre, 64 mg/litre de GH12 ont considérablement réduit les scores de carie des caries sulcales et des surfaces lisses à tous les endroits. En conclusion, GH12 a inhibé les propriétés cariogènes de la plaque dentaire sans perturber le microbiote de la plaque dentaire des individus en bonne santé et le GH12 a régulé l'écologie microbienne dysbiotique et a arrêté le développement de la carie dans des conditions cariogéniques.

Importance

Les effets anticaires et les effets de la régulation microécologique du peptide antimicrobien GH12 ont été systématiquement évalués in vitro et in vivo. Le GH12 a inhibé la virulence cariogénique de la plaque dentaire sans intervenir de façon excessive dans l'écologie microbienne d'individus sains in vitro. Le GH12 a régulé l'écologie microbienne de la plaque dentaire dans une certaine mesure in vivo dans des conditions cariogènes, a augmenté la proportion de bactéries commensales et diminué l'abondance de bactéries associées à la carie. Le GH12 a considérablement réduit l'incidence et la gravité des caries dentaires in vivo. Cette étude décrit ainsi une thérapie antimicrobienne alternative pour les caries dentaires.

Comment de bonnes bactéries intestinales aident à réduire le risque de maladie cardiaque

« Comment de bonnes bactéries intestinales aident à réduire le risque de maladie cardiaque », source communiqué de la Ohio State University.

Des chercheurs identifient une protéine responsable du comportement bénéfique des bactéries.

Des scientifiques ont découvert que l'une des bonnes bactéries présentes dans l'intestin humain présente un avantage qui n'a pas été reconnu jusqu'à présent : le pouvoir de réduction du risque de maladie cardiaque.

L’activité des bactéries dans l’intestin réduit la production d’un produit chimique qui a été lié au développement des artères obstruées. Après sa fabrication dans l'intestin, le produit chimique pénètre dans la circulation sanguine et se rend dans le foie, où il est transformé en sa forme la plus dangereuse.

Des chercheurs de l'Ohio State University ont retracé le comportement des bactéries à une famille de protéines qui, selon eux, pourraient expliquer d'autres façons dont de bons organismes intestinaux peuvent contribuer à la santé humaine. Essentiellement, ces microbes rivalisent avec les mauvaises bactéries pour accéder aux mêmes nutriments dans l'intestin - et si les bonnes bactéries gagnent, elles peuvent prévenir les problèmes de santé qui peuvent résulter de la façon dont le corps métabolise les aliments.

Beaucoup plus de travail est à venir, mais les scientifiques voient le potentiel de ce microbe, Eubacterium limosum, pour être utilisé à des fins thérapeutiques à l'avenir. Des recherches antérieures ont déjà montré que la bactérie est «bonne» car elle calme l'inflammation dans l'intestin.

« Au cours de la dernière décennie, il est devenu évident que les bactéries dans l'intestin humain influencent notre santé de plusieurs façons. L'organisme que nous avons étudié affecte la santé en empêchant un composé problématique de devenir un pire composé », a dit Joseph Krzycki, professeur de microbiologie à l'Ohio State et auteur principal de l'étude. « Il est trop tôt pour dire si cette bactérie pourrait avoir une valeur thérapeutique. Mais c'est vers cela que nous travaillons. »

L’étude apparaît en ligne et sera publiée dans une prochaine édition du Journal of Biological Chemistry.

Le produit chimique lié aux artères obstruées qui caractérisent l'athérosclérose est appelé triméthylamine ou TMA. Il est produit pendant le métabolisme lorsque certains microbes intestinaux - généralement les bactéries considérées comme inutiles aux humains - interagissent avec certains nutriments des aliments. Parmi ces nutriments se trouve la L-carnitine, un composé chimique présent dans la viande et le poisson qui est également utilisé comme complément nutritionnel pour améliorer la récupération après l'exercice.

Krzycki et ses collègues ont découvert que E. limosum interagit avec la L-carnitine d'une manière différente dans l'intestin, et que cette interaction élimine le rôle de la L-carnitine dans la production de TMA (d'autres nutriments participent également à la production de TMA dans l'intestin).

Les chercheurs attribuent le comportement bénéfique des bactéries à une protéine appelée MtcB, une enzyme qui coupe des molécules spécifiques des composés pour aider les bactéries à générer de l'énergie et à survivre. Le processus est appelé déméthylation et implique la suppression d'un groupe méthyle pour changer la structure ou la fonction d'un composé.

« La bactérie fait cela pour son propre bénéfice, mais elle a pour effet en aval de réduire la toxicité du TMA », a dit Krzycki. « Jusqu'à présent, les seules réactions microbiennes intestinales connues avec la L-carnitine impliquaient de la convertir en sa mauvaise forme. Nous avons découvert qu’une bactérie connue pour être bénéfique pouvait éliminer un groupe méthyle et envoyer le produit résultant sur une autre voie sans produire d’autres composés nocifs dans le processus. »

Dans ces interactions, la L-carnitine fonctionne comme un substrat de croissance, un composé consommé pour que l'organisme puisse vivre et se développer, et également une cible pour l'activité enzymatique. Dans l'étude, les chercheurs ont alimenté des cultures de E. Limosum avec un assortiment de substrats potentiels, dont la L-carnitine. Ce n'est que lorsqu'on lui a offert de la L-carnitine que le microbe a synthétisé la protéine MtcB spécifiquement pour éliminer le groupe méthyle de la L-carnitine, en substance, le MtcB fait partie de la manière naturelle de la bactérie de consommer le nutriment.

Krzycki a dit que la découverte de cet avantage significatif pour la santé d'une espèce de bactéries intestinales suggère qu'il y a encore beaucoup à apprendre sur la façon dont les bactéries intestinales peuvent influencer les résultats pour la santé associés au métabolisme humain.

« MtcB fait partie d'une famille de protéines avec des milliers de représentants qui peuvent utiliser différents composés et modifier les nutriments consommés par les bactéries dans l'intestin », a-t-il dit. « Ces protéines peuvent se comporter de façon très similaire chimiquement, mais l'utilisation de différents composés peut évidemment créer de grands changements en ce qui concerne la biologie. »

Communautés microbiennes dans les agrégats du sol: Vers une compréhension des interactions du microbiome à des échelles biologiquement pertinentes

« Communautés microbiennes dans les agrégats du sol: Vers une compréhension des interactions du microbiome à des échelles biologiquement pertinentes » source Applied and Environmental Microbiology, une revue de l’ASM.

Les sols contiennent un enchevêtrement de minéraux, d'eau, de nutriments, de gaz, de racines de plantes, de matières organiques en décomposition et de micro-organismes qui agissent ensemble pour recycler les nutriments et favoriser la croissance des plantes terrestres.

La plupart des microorganismes du sol vivent dans des communautés périodiquement interconnectées étroitement associées aux agrégats du sol, c’est-à-dire de petits clusters (< 2 mm) fortement liées à des minéraux et du carbone organique persistants à la suite de perturbations mécaniques et de l’humidité.

Leur structure spatiale est importante pour le cycle biogéochimique et nous ne pouvons pas prédire de manière fiable les activités biologiques et la variabilité des sols en étudiant uniquement les sols en vrac.

Pour bien comprendre les processus biogéochimiques à l'œuvre dans les sols, il est nécessaire de comprendre les interactions à l'échelle micrométrique qui se produisent entre les particules de sol et leurs habitants microbiens. Ici, nous passons en revue l’état actuel des connaissances sur les communautés microbiennes d’agrégats du sol et identifions les domaines dans lesquels il est possible d’étudier les écosystèmes du sol à une échelle correspondant aux cellules individuelles.

Schéma simplifié de l'horizon du sol et des macro et micro-agrégats du sol. Les propriétés importantes incluent la chimie locale, la surface spécifique, la taille des pores au sein et entre les agrégats, la rugosité de la surface et la connectivité. POM: matière organique particulaire. Cliquez sur l'image pour l'agrandir.

Un horizon est une couche du sol, homogène et parallèle à la surface.

Nous présentons un cadre permettant de comprendre les communautés d'agrégats comme des « villages microbiens » périodiquement connectés lors d'événements humides, permettant ainsi le transfert de matériel génétique, de métabolites et de virus.

Nous décrivons des stratégies descendantes (communauté entière) et ascendantes (réductionnistes) pour étudier ces communautés.

Pour comprendre cela, il faut combiner des approches de « systèmes modèles » (par exemple, développer de faux agrégats artificiels de communautés), observer sur le terrain des communautés naturelles et étudier plus largement les interactions entre communautés afin d'inclure les membres de la communauté peu étudiés, comme les virus.

Les études initiales suggèrent que les approches basées sur les agrégats constituent une prochaine étape critique pour développer une compréhension prédictive de la façon dont les interactions géochimiques et communautaires contrôlent la structure de la communauté microbienne et le cycle des éléments nutritifs dans le sol.

Référence. Soil Aggregate Microbial Communities: Towards Understanding Microbiome Interactions at Biologically Relevant Scales

Regina L. Wilpiszeski, Jayde A. Aufrecht, Scott T. Retterer, Matthew B. Sullivan, David E. Graham, Eric M. Pierce, Olivier D. Zablocki, Anthony V. Palumbo, Dwayne A. Elias

Applied and Environmental Microbiology Jul 2019, 85 (14) e00324-19; DOI: 10.1128/AEM.00324-19

L’article est disponible intégralement et gratuitement.

Contamination par les pesticides: Que peuvent faire les microbiologistes?

« Contamination par les pesticides: que peuvent faire les microbiologistes? », source article de James W B. Moir Département de biologie, Université de York, Royaume-Uni. Texte publié dans Microbiologist de mars 2019, une revue de la Society for Applied Microbiology.

Qu'est-ce que cela a à voir avec la microbiologie?

Traditionnellement, très peu. La préparation de l'eau brute (réservoir ou rivière) destinée à la consommation est traitée comme un processus physico-chimique plutôt que biologique. Les analyses réglementaires de la présence de pesticides dans l'environnement ne prennent pas en compte les processus biologiques tels que l'adaptation évolutive, malgré des preuves bien établies que la biodégradation accélérée des pesticides survient en réponse à leur utilisation historique ou récente.

La technologie n’existant pas en vase clos, et pour informer et influencer le développement de solutions technologiques, les microbiologistes doivent s’engager avec les parties prenantes pour comprendre les problèmes et envisager l’espace dans lequel des solutions pourraient exister. En ce qui concerne les pesticides, ces parties prenantes comprennent les compagnies des eaux chargées de fournir de l’eau propre, les agriculteurs qui utilisent des pesticides sur leurs terres, les autorités réglementaires qui définissent les politiques en matière d’utilisation des pesticides, les ingénieurs qui conçoivent des stations de traitement de l’eau et les consommateurs. qui veulent une eau propre.

La conception physico-chimique et l’infrastructure des stations de traitement de l’eau ne sont qu’un élément dans un contexte plus large de la « gestion du captage » dans lequel les compagnies des eaux travaillent en liaison avec les contributeurs agricoles et industriels pour réduire les risques de contamination.

L'eau potable n'est pas stérile et le sol est la structure la plus diversifiée sur le plan microbiologique. Des bactéries du sol spécialisées capables de dégrader des pesticides problématiques peuvent être facilement isolées et étudiées en laboratoire. Il doit être possible de tirer parti de la puissance de la catalyse biologique dans ce contexte pour développer des solutions technologiques permettant de limiter la contamination par les pesticides. Les microbiologistes pourraient utiliser ces ressources naturelles pour avoir un impact dans trois domaines principaux: (i) traitement; (ii) diagnostic et (iii) réglementation et politique.

Traitement

Nous avons travaillé récemment sur un pesticide, le métaldéhyde, un éther cyclique qui ne se dégrade pas par les méthodes classiques de traitement de l'eau (comme le charbon actif en grains). Cependant, les bactéries susceptibles de dégrader le métaldéhyde peuvent être isolées et peuvent être utilisées dans le traitement de l'eau. La bioaugmentation de ces micro-organismes dans les stations d’épuration pose de nombreux défis, car les bactéries risquent de ne pas être retenues ou de ne pas dégrader le pesticide en présence d’autres substrats carbonés potentiels présents dans l’eau.

La faisabilité du traitement biologique nécessite des essais à diverses échelles et en utilisant divers paramètres de traitement, des installations de traitement des eaux municipales au fossé à côté champ. La connaissance et la compréhension des mécanismes biologiques sous-jacents nous permettront d’avoir des tests de diagnostic biologique plus intelligents du potentiel de dégradation dans un contexte donné. Imaginez un test par la PCR quantitative pour des gènes dégradant les pesticides, ce qui ajoutera une nouvelle richesse en analyse biologique au processus de traitement de l'eau.

La persistance des pesticides dans l’environnement dépend de facteurs physico-chimiques et des processus biologiques dans le microbiome du sol.

Diagnostic

Les méthodes de surveillance actuelles font appel à des méthodes sophistiquées de logistique et de chromatographie de pointe en laboratoire, susceptibles de ne pas être traduites en essais sur le terrain, ni de s’appliquer dans les pays en voie de développement dotés de structures institutionnelles fragiles. La sensibilité et la spécificité biologiques offrent le potentiel pour la conception de nouveaux diagnostics basés sur des biocapteurs capables de détecter et de quantifier les résidus de pesticides.

Sans présupposer complètement les besoins des parties prenantes, les microbiologistes peuvent définir une série de voies possibles vers de nouveaux diagnostics reposant sur la microfluidique couplée à des méthodes d'analyse biophysique, des capteurs à base d'anticorps ou des stratégies basées sur des essais biologiques sur des cellules microbiennes vivantes intactes. Une gamme d'approches pour le développement de diagnostics nous permettra de développer des outils qui fonctionnent dans différents contextes, que cela soit régi par le coût, la vitesse, la robustesse ou d'autres spécifications pouvant être établies en liaison avec les utilisateurs finaux.

Réglementation et politique

La persistance des pesticides dans l’environnement dépend de facteurs physico-chimiques dans les sols mais également de processus biologiques dans le microbiome du sol. Compte tenu de la variation spatio-temporelle de l'activité microbienne, il faudra collecter davantage de données sur la prédisposition métagénomique à la dégradation des pesticides et sur son évolution dans le temps et à travers les paysages. Cela impliquera également un changement de paradigme pour les autorités de réglementation, prenant en compte les variables biologiques qui ont jusqu'à présent été écartées au profit de propriétés chimiques/physiques plus faciles à mesurer.

Les connaissances sur le potentiel de dégradation pourraient également avoir un impact sur l’utilisation des pesticides par les agriculteurs, afin de garantir la meilleure dose et une utilisation plus efficace et durable.

En fin de compte, les interventions chimiques de l’homme dans l’agriculture continueront d’être nécessaires pour parvenir à l’augmentation de rendement nécessaire pour nourrir la population mondiale. L'application de la recherche microbiologique peut permettre une utilisation durable des pesticides et autres produits agrochimiques et résoudre les problèmes de contamination en aval qui se posent.