Les interactions interspécifiques sont à la base des écosystèmes, du sol à l'océan en passant par l'intestin humain. Parmi les nombreux types d'interactions, la syntrophie est une interaction interspécifique particulièrement importante et mutuellement bénéfique dans laquelle un partenaire fournit un produit chimique ou un nutriment consommé par l'autre en échange d'une récompense.
La syntrophie joue un rôle essentiel dans les cycles mondiaux du carbone en facilitant la conversion de la matière organique en méthane, qui est environ 30 fois plus puissant que le dioxyde de carbone en tant que gaz à effet de serre et qui est une source d'énergie durable. Et dans l'intestin humain, des milliards de cellules microbiennes interagissent également entre elles et avec d'autres espèces pour moduler la physiologie de leur hôte humain.
Par conséquent, déchiffrer la nature, l'évolution et le mécanisme des interactions interspécifiques syntrophiques est fondamental pour comprendre et manipuler les processus microbiens, la production de bioénergie et la durabilité environnementale.
Cependant, notre compréhension de ce qui motive ces interactions, de leur évolution et de la manière dont leur perturbation peut entraîner des maladies ou une instabilité de l'écosystème n'est pas bien comprise.
Les chercheurs et collaborateurs de l'ISB avaient pour objectif de s'attaquer à ces questions fondamentales pour faire la lumière sur la manière dont les interactions interspécifiques, en particulier la coopération, surviennent, évoluent et se maintiennent. Leurs résultats offrent une nouvelle fenêtre pour comprendre les rôles clés de ces interactions dans les applications industrielles, ainsi que dans la santé et la maladie des humains, des animaux et des plantes.
L'étude s'appuie sur les travaux antérieurs sur les interactions syntrophiques entre deux microbes, Desulfovibrio vulgaris (Dv) et Methanococcus maripaludis (Mm), qui coexistent dans divers environnements (intestin, sol, etc.) et jouent un rôle central dans une étape importante dans le cycle biogéochimique du carbone.
Avec une approche multidisciplinaire recoupant la biologie des systèmes, la microbiologie, la biologie évolutive et d'autres disciplines, les chercheurs ont analysé des quantités massives de données de séquence du génome générées à partir de plus de 400 échantillons. Ils ont étudié les schémas temporels et combinatoires dans lesquels les mutations se sont accumulées dans les deux organismes sur 1 000 générations, ils ont cartographié les lignées par séquençage cellulaire à haute résolution et caractérisé l'aptitude et la coopération des appariements de leurs isolats individuels.
L'équipe a découvert des preuves frappantes que les mutations accumulées au cours de l'évolution génèrent des interactions génétiques positives entre les individus rares d'une communauté microbienne. Ces interactions génétiques augmentent la coopérativité au sein de ces assemblages microbiens rares, permettant leur persistance à très basse fréquence au sein d'une population productive plus large. En outre, les chercheurs ont découvert l'un des premiers exemples d'évolution parallèle, c'est-à-dire l'accumulation de mutations dans des gènes similaires dans des populations évoluant indépendamment, sous-tendant l'évolution des deux organismes dans une communauté mutualiste.
«Cette étude est une étape importante dans la compréhension et la manipulation des événements adaptatifs précoces dans l'évolution des interactions mutualistes avec un large éventail d'applications pour la biotechnologie, la médecine et l'environnement», a dit le Dr Serdar Turkarslan, chercheur principal au Baliga Lab de l'ISB et auteur principal de un article récemment publié dans The ISME Journal.
Ces découvertes sont d'un grand intérêt car elles expliquent comment diverses populations microbiennes coexistent dans des environnements en évolution dynamique, comme dans les réacteurs, les sédiments lacustres et l'intestin humain. De plus, l'étude intègre l'analyse de systèmes multi-échelles de divers types d'ensembles de données longitudinales et des tests expérimentaux d'hypothèses pour caractériser un phénomène complexe qui émerge d'interactions au niveau génétique entre deux membres d'une communauté microbienne.
«Les méthodologies, les idées et les ressources générées par cette étude auront une large applicabilité à l'étude d'autres interactions interspécifiques et des phénomènes évolutifs», a dit le professeur, directeur et vice-président de l'ISB, le Dr Nitin Baliga, co-auteur de l'article. «L'une des questions fondamentales de la biologie est de savoir si nous pouvons prédire et moduler les interactions interspécifiques telles que celles entre les pathogènes et leur environnement hôte. Si nous comprenons quels sont les gènes qui entraînent l'interaction des pathogènes avec l'hôte, nous pouvons concevoir des thérapies pour modifier le micro-environnement de l'hôte et la permissibilité de l'infection, ou en modifiant directement la reconnaissance des pathogènes. Pour les applications industrielles, nous pouvons rapidement dépister les mutations les plus coopératives entre différents consortiums microbiens afin de faciliter la production de biens publics.»
