Une nouvelle technique trouve des groupes de bactéries médicalement et écologiquement pertinents

Une nouvelle méthode identifie les groupes de bactéries écologiquement et médicalement pertinents.

L'identification des espèces parmi les plantes et les animaux a été une occupation à plein temps pour certains biologistes, mais la tâche est encore plus ardue pour la myriade de microbes qui peuplent la planète. Maintenant, Les chercheurs du MIT ont développé une mesure simple du flux génétique qui peut définir des populations écologiquement importantes parmi les bactéries et les archées, y compris l'identification des populations associées aux maladies humaines.

La métrique du flux de gènes sépare les microbes coexistants dans des populations génétiquement et écologiquement distinctes, Martin Polz, professeur de génie civil et environnemental au MIT, et ses collègues écrivent dans le numéro du 8 août de Cellule.

Polz et ses collègues ont également développé une méthode pour identifier des parties du génome dans ces populations qui montrent différentes adaptations qui peuvent être cartographiées sur différents environnements. Lorsqu'ils ont testé leur approche sur une bactérie intestinale, par exemple, ils ont pu déterminer que différentes populations de bactéries étaient associées à des individus sains et à des patients atteints de la maladie de Crohn.

Les biologistes appellent souvent un groupe de plantes ou d'animaux une espèce si le groupe est isolé des autres sur le plan de la reproduction, c'est-à-dire les individus du groupe peuvent se reproduire entre eux, mais ils ne peuvent pas se reproduire avec les autres. Par conséquent, les membres d'une espèce partagent un ensemble de gènes qui diffère des autres espèces. Une grande partie de la théorie de l'évolution se concentre sur les espèces et les populations, les représentants d'une espèce dans une zone donnée.

Mais les microbes « défient le concept d'espèce classique pour les plantes et les animaux, " explique Polz. Les microbes ont tendance à se reproduire de manière asexuée, se diviser simplement en deux plutôt que de combiner leurs gènes avec d'autres individus pour produire une progéniture. Les microbes sont également connus pour "prendre l'ADN de sources environnementales, comme les virus, " dit-il. " Les virus peuvent transférer l'ADN dans les cellules microbiennes et cet ADN peut être incorporé dans leurs génomes. "

Ces processus rendent difficile le tri des microbes coexistants en populations distinctes en fonction de leur constitution génétique. "Si nous ne pouvons pas identifier ces populations dans les microbes, nous ne pouvons pas appliquer toute cette riche théorie écologique et évolutive qui a été développée pour les plantes et les animaux aux microbes, " dit Polz.

Si les chercheurs veulent mesurer la résilience d'un écosystème face aux changements environnementaux, par exemple, ils pourraient examiner comment les populations au sein des espèces changent au fil du temps. « Si nous ne savons pas ce qu'est une espèce, il est très difficile de mesurer et d'évaluer ces types de perturbations, " il ajoute.

Une référence pour le flux génétique

Martin et ses collègues ont décidé de chercher une autre façon de définir les populations de microbes écologiquement significatives. Dirigé par l'étudiant diplômé en microbiologie Philip Arevalo, les chercheurs ont développé une métrique du flux de gènes qu'ils ont appelée PopCOGenT (Populations as Clusters Of Gene Transfer).

PopCOGenT mesure le flux de gènes récent ou le transfert de gènes entre des génomes étroitement liés. En général, les génomes microbiens qui ont récemment échangé de l'ADN devraient partager des segments d'ADN identiques plus longs et plus fréquents que si les individus se reproduisaient simplement en divisant leur ADN en deux. Sans ce genre d'échange récent, les chercheurs ont suggéré, la longueur de ces tronçons partagés d'ADN identique se raccourcirait à mesure que les mutations inséraient de nouvelles "lettres" dans le tronçon.

Deux souches microbiennes qui ne sont pas génétiquement identiques l'une à l'autre mais qui partagent des "morceaux" d'ADN identiques échangent probablement plus de matériel génétique entre elles qu'avec d'autres souches. Cette mesure de flux de gènes peut définir des populations microbiennes distinctes, comme les chercheurs l'ont découvert dans leurs tests sur trois types différents de bactéries.

Dans Vibrio bactéries, par exemple, des populations étroitement apparentées peuvent partager certaines séquences de gènes de base, mais ils semblent complètement isolés les uns des autres lorsqu'on les regarde à travers cette mesure du flux génétique récent, Polz et ses collègues ont trouvé.

Polz dit que la méthode PopCOGenT peut mieux fonctionner pour définir les populations microbiennes que les études précédentes car elle se concentre sur le flux de gènes récent entre des organismes étroitement liés, plutôt que d'inclure des événements de flux de gènes qui ont pu se produire des milliers d'années dans le passé.

La méthode suggère également que même si les microbes absorbent constamment un ADN différent de leur environnement qui pourrait obscurcir les schémas de flux de gènes, "il se peut que cet ADN divergent soit réellement éliminé par sélection des populations très rapidement, " dit Polz.

L'approche écologique inversée

L'étudiant diplômé en microbiologie David VanInsberghe a ensuite suggéré une approche « d'écologie inversée » qui pourrait identifier les régions du génome dans ces populations nouvellement définies qui présentent des « balayages sélectifs » - des endroits où la variation de l'ADN est réduite ou éliminée, probablement en raison d'une forte sélection naturelle pour une variante génétique bénéfique particulière.

En identifiant des balayages spécifiques au sein des populations, et cartographier la répartition de ces populations, la méthode peut révéler des adaptations possibles qui poussent les microbes à habiter un environnement ou un hôte particulier - sans aucune connaissance préalable de leur environnement. Lorsque les chercheurs ont testé cette approche dans la bactérie intestinale Ruminococcus gnavus , ils ont découvert des populations distinctes du microbe associées à des personnes en bonne santé et à des patients atteints de la maladie de Crohn.

Polz dit que la méthode de l'écologie inversée sera probablement appliquée dans un proche avenir pour étudier toute la diversité des bactéries qui habitent le corps humain. "Il y a beaucoup d'intérêt pour le séquençage d'organismes étroitement liés au sein du microbiome humain et la recherche d'associations entre la santé et la maladie, et les ensembles de données s'agrandissent."

Il espère utiliser cette approche pour examiner le « génome flexible » des microbes. Souches de E. coli bactéries, par exemple, partagent environ 40 pour cent de leurs gènes dans un « génome central, " tandis que les 60 pour cent restants - la partie flexible - varient selon les souches. "Pour moi, c'est l'une des plus grandes questions en microbiologie :pourquoi ces génomes sont-ils si divers dans le contenu génétique ?", explique Polz. « Une fois que nous pourrons définir les populations comme des unités évolutives, nous pouvons interpréter les fréquences des gènes dans ces populations à la lumière des processus évolutifs."

Les découvertes de Polz et de ses collègues pourraient augmenter les estimations de la diversité microbienne, dit Marx. "Ce que je pense est vraiment cool à propos de cette approche du groupe de Martin, c'est qu'ils suggèrent en fait que la complexité que nous voyons est encore plus complexe que nous ne le pensons. Il peut y avoir encore plus de types qui sont écologiquement importants là-bas, des choses que s'il s'agissait de plantes et d'animaux, nous les appellerions des espèces."

Les autres auteurs du MIT sur le papier incluent Joseph Elsherbini et Jeff Gore. La recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation et la Simons Foundation.

• Les médicaments antiviraux contre l'hépatite C réduisent de près de moitié les décès liés au foie,
• Nouvelle façon d'identifier l'inflammation survenant dans les troubles liés aux éosinophiles