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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 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!»
