L'écologie spatiale ou l'écologie du paysage est un domaine de recherche qui étudie la formation de modèles spatiaux parmi les communautés bactériennes. L'ampleur du « grain » (la plus petite unité observée) et l'« étendue » (l'étendue des observations) sont des déterminants importants de l'échelle d'examen. L'échelle est cruciale lorsqu'il s'agit de construire des théories sur la façon dont ces communautés sont organisées.
Comment se forment de tels modèles ? Dans la bouche humaine, au moins, la réponse inclut des facteurs tels que la température, les taux d'humidité, le flux de salive, le niveau d'oxygène, le pH, et le nombre de fois où des écorchures ou des procédures d'hygiène bucco-dentaire se produisent. En plus de ces facteurs au niveau macro, les microbes eux-mêmes produisent et utilisent des composés métaboliques, nutriments, et inhibiteurs, y compris les molécules antimicrobiennes. Ils empêchent également physiquement d'autres microbes d'occuper l'espace principal, ou leurs surfaces peuvent offrir de bons points de liaison pour d'autres microbes. De telles interactions conduisent à une communauté diverse et fonctionnellement redondante, qui est plus ou moins stable et métaboliquement actif selon les niveaux d'interaction inter-microbienne.
Pour cartographier l'orientation spatiale, d'autres facteurs doivent être connus, telles que la distance entre les microbes ainsi que la distance entre les microbes et d'autres caractéristiques de l'hôte telles que la cellule hôte la plus proche ou la surface d'un biofilm dont le microbe fait partie. L'imagerie est utilisée pour obtenir des informations sur ces modèles au niveau des cellules individuelles à des échelles allant jusqu'à un millimètre.
Le développement d'une technique appelée marquage combinatoire ainsi que l'hybridation spectrale par imagerie-fluorescence in situ (CLASI-FISH) ont permis d'identifier et de localiser plusieurs classes microbiennes en même temps en marquant n'importe quel type de microbe avec plusieurs fluorophores. Cela permet de visualiser l'arrangement spatial de tout un système de microbes formant des communautés microbiennes à l'échelle du micron.
Biofilm bactérien gratté de la surface de la langue et imagé à l'aide de CLASSI-FISH. Le tissu épithélial humain forme un noyau central (gris). Les couleurs indiquent différentes bactéries :Actinomyces (rouge) occupent une région proche du noyau; Le streptocoque (vert) est localisé dans une croûte extérieure et en bandes à l'intérieur. Autres taxons (Rothia, cyan; Neisseria, jaune; Veillonelle, magenta) sont présents dans des grappes et des rayures qui suggèrent la croissance de la communauté vers l'extérieur du noyau central. Crédit d'image:Steven Wilbert et Gary Borisy, L'institut Forsyth L'étude actuelle utilise l'imagerie par fluorescence multispectrale pour établir son rôle dans l'écologie spatiale des systèmes microbiens sur la langue. Ici, il y a plusieurs microbes densément regroupés en contact avec l'épithélium humain et aussi avec d'autres habitats buccaux comme la membrane muqueuse de la bouche et des dents.
Les enquêteurs ont utilisé un grattoir à langue en plastique strié pour collecter un spécimen gratté de l'arrière vers l'avant. La taille et la disposition interne de ces fragments de biofilm les ont amenés à conclure qu'ils représentaient fidèlement la disposition spatiale des bactéries à différents niveaux du dos de la langue sur une échelle de plusieurs centaines de micromètres. Ces niveaux comprennent les sommets des papilles filiformes recouvrant la langue, les vallées entre eux, et les fines épines qui en dépassent, qui hébergent toutes des bactéries de différents types.
Les chercheurs ont d'abord identifié les principaux types bactériens dans les échantillons prélevés sur la langue de 21 volontaires sains par séquençage, puis analysé chaque classe pour obtenir une vue complète de la structure du microbiome avec suffisamment de détails pour permettre à chacune des espèces clés de se voir attribuer sa propre place sur la langue.
La plupart des gènes microbiens de la communauté linguale sont formés d'un nombre limité d'oligotypes, selon le Human Microbiome Project (HMP). En liant chaque oligotype dans la bouche aux classes bactériennes de la base de données élargie du microbiome oral humain (eHOMD), les enquêteurs ont identifié 17 genres bactériens présents chez plus de 80% des personnes et formant 0,5% des microbes. En utilisant les données de séquençage du HMP, ils ont découvert que 95 % ou plus des séquences bactériennes provenaient d'un ensemble similaire de genres.
Les chercheurs concluent que ces genres sont "susceptibles de former à la fois le cadre spatial et métabolique du microbiome sain de la TD".
Les chercheurs ont découvert trois types d'arrangements microbiens :des bactéries libres, bactéries sur les cellules épithéliales squameuses, et des consortiums bactériens, ou des groupes structurellement complexes. Ces derniers étaient des biofilms bactériens constitués de plusieurs couches de microbes, avec une limite distincte et un noyau épithélial.
L'analyse de la composition bactérienne dans chaque catégorie et localisation spatiale a montré que les consortiums étaient plus homogènes que les autres catégories, avec des motifs bactériens similaires dans tous les échantillons. Les bactéries libres et liées à l'épithélium se sont produites seules ou en petits groupes. En revanche, chaque consortium affichait la même structure de patch localisé, chacun dominé par un type bactérien.
Chaque patch a une limite distincte, mesure des dizaines à des centaines de micromètres de long, et possède un noyau de cellules épithéliales muqueuses humaines. Les consortiums vivent entre la zone périphérique, qui est exposé à la salive et à l'oxygène, et le noyau épithélial.
Au moins un échantillon de chaque participant, et plus de 95% des exemples d'images, a montré la présence de 3 genres : Actinomyces, Rothia, et Streptocoque . Chacun avait son propre "sweet spot" dans le consortium, avec Actinomyces formant de grands domaines continus près du noyau ou des bandes entre les plaques d'autres bactéries. Rothia formé de grandes plaques près du périmètre ainsi qu'autour d'un noyau de cellules épithéliales ou bactériennes. Dans une telle couche corticale, les Rothia était souvent brisée par des ruisseaux ou des plaques d'autres types de bactéries. Streptocoque formé une fine couche externe sur le consortium ainsi que des veines ou des plaques à l'intérieur.
D'autres types de bactéries importants observés dans les échantillons de tous les individus de l'étude comprenaient Veillonelle, Gemelle, Neisseriacées, et embranchement Saccharibactéries . Certaines de ces classes bactériennes peuvent aider à convertir le nitrate dans la salive en nitrite et ainsi aider à réguler les niveaux d'oxyde nitrique dans le corps. Moins d'un cinquième des cellules n'ont été colorées avec aucune des sondes spécifiques.
Prochain, les enquêteurs se sont penchés sur les différents genres au sein du consortium, chaque espèce d'un même genre, et une espèce en particulier qui était considérée comme le représentant de ce genre sur la langue. Comme prévu à partir des données HMP, ils ont trouvé, par exemple, cette Rothia était représenté par R. mucilaginosa , Actinomyces par A. odontolyticus , et dans une bien moindre mesure, A. graevenitizii , et Neisseria par N. flavescens . S. mitis , S. salivarius et S. parasanguinis ont été trouvés sur tous les consortiums mais à des endroits différents.
Les scientifiques émettent l'hypothèse que les cellules bactériennes du dos de la langue se poussent les unes les autres au fur et à mesure qu'elles se multiplient. Chaque classe augmente plus rapidement en nombre dans la zone idéale pour leur croissance, conduisant à des taches de forme inégale. C'est l'origine de la disposition des patchs observée dans le microbiome mature. En mauvaise santé, la structure de la communauté microbienne peut varier.
"Notre étude est nouvelle car personne auparavant n'a été capable de regarder le biofilm sur la langue d'une manière qui distingue toutes les différentes bactéries afin que nous puissions voir comment elles s'organisent, ", explique le chercheur Gary Borisy. "La plupart des travaux antérieurs sur les communautés bactériennes utilisaient des approches basées sur le séquençage de l'ADN, mais pour obtenir la séquence d'ADN, vous devez d'abord broyer l'échantillon et extraire l'ADN, qui détruit toute la belle structure spatiale qui était là. L'imagerie avec notre technique CLASSI-FISH nous permet à la fois de préserver la structure spatiale et d'identifier les bactéries."
En d'autres termes, cette méthode d'imagerie a permis d'identifier la plupart des cellules de chaque consortium, ainsi que leur abondance et leur disposition spatiale par rapport à la source de nutrition et à l'emplacement du substrat.
Les études à l'échelle micrométrique aident à différencier les communautés microbiennes en fonction de leur arrangement biologique. L'utilisation de sondes au niveau des espèces montre que de nombreuses espèces sont des spécialistes du site présents sur un site, comme la plaque dentaire, mais pas dans l'autre, C'est, le dos de la langue.
Les chercheurs concluent, « Bien que l'imagerie ne soit qu'une des nombreuses technologies clés, il offre l'avantage unique de nous montrer la cible :le paysage et les structures que les microbes construisent et que nous devons expliquer et reproduire afin d'avoir atteint une compréhension de la communauté microbienne. »
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