La recherche ouvre des opportunités pour démêler la complexité des communautés microbiennes

"Les communautés microbiennes dirigent le monde, " dit Jo Handelsman, directeur du Wisconsin Institute for Discovery à l'Université du Wisconsin-Madison.

"Les gens rient toujours quand je dis ça, " ajoute-t-elle. "Mais c'est vrai."

Notre nouvelle compréhension riche des communautés microbiennes et de leur influence sur la santé humaine ou la productivité des cultures a conduit au rêve de changer ces communautés pour produire des avantages. A la poursuite de ce rêve, des millions d'Américains prennent maintenant des probiotiques, microbes bénéfiques qu'ils espèrent améliorer leur intestin.

Mais l'immense complexité et la résilience de ces microbiomes laissent les chercheurs incertains de la manière de produire des changements prévisibles et durables pour le mieux.

De nouvelles recherches menées par Handelsman et ses collaborateurs abordent cette complexité de front. L'équipe a développé une communauté qu'ils ont nommée THOR, trois espèces de bactéries isolées des racines de soja et cultivées ensemble. La communauté complexe de microbes a développé ensemble de nouveaux comportements qui ne pouvaient pas être prédits à partir des seuls membres - ils ont développé des structures plus dures connues sous le nom de biofilms, changé leur façon de se déplacer dans leur environnement, et contrôlé la libération d'un nouvel antibiotique.

Chacun des trois membres de THOR a un génome séquencé, et une panoplie d'outils sont disponibles pour étudier facilement les bactéries isolément et ensemble, ce qui ouvre des opportunités pour commencer à démêler la complexité des communautés microbiennes comme THOR et d'autres. Une meilleure compréhension de ces microbiomes pourrait aider les scientifiques à comprendre comment les améliorer.

L'ouvrage est publié le 5 mars dans la revue mBio . Le travail a été dirigé par le chercheur postdoctoral du laboratoire Handelsman Gabriel Lozano avec des collaborateurs du département de phytopathologie de l'UW-Madison, Université de Yale et autres institutions.

Le nom tonitruant THOR vient des membres de la communauté :The Hitchhikers Of the Rhizosphere. Il y a des années, Le laboratoire de Handelsman a remarqué que plusieurs bactéries sont arrivées pour le trajet lorsque des membres de bactéries Bacillus communes ont été isolés du microbiome des racines de soja, connue sous le nom de rhizosphère. Ces auto-stoppeurs ne se sont montrés que lorsque des bactéries Bacillus ont été cultivées dans le froid pendant plusieurs semaines.

Ces associations étroites entre différentes espèces suggèrent qu'elles pourraient servir de communauté modèle pour tester comment des traits complexes émergent lorsque plusieurs espèces partagent le même espace. Les chercheurs ont choisi des espèces des groupes de bactéries Pseudomonas et Flavobacterium pour se développer et étudier aux côtés de Bacillus.

Combiné, les membres de THOR en comptaient une quinzaine, 000 gènes et étaient capables de produire des milliers de petites molécules, créer des "couches de complexité" dans le temps et dans l'espace, dit Handelsman.

Lorsqu'il est cultivé seul, le membre Pseudomonas de THOR produit un biofilm, une structure consistante qui protège la bactérie de son environnement. Les biofilms encrassent les implants utilisés en médecine et rendent les bactéries résistantes aux antibiotiques. Lorsque les trois membres de THOR ont grandi ensemble, la communauté a produit deux fois plus de biofilm et le biofilm a duré plus longtemps que lorsque Pseudomonas était seul.

« Même lorsque leurs populations sont petites, ces autres espèces sont à l'origine de biofilms plus importants, " dit Handelsman.

D'autres traits complexes sont également apparus dans THOR. Le membre Bacillus a réduit la production d'antibiotiques fabriqués par Pseudomonas, protéger Flavobacterium de leurs effets. Et les autres membres de THOR ont poussé les colonies de Bacillus à pousser comme les branches d'un arbre, se propageant sur et autour des autres bactéries selon des schémas complexes.

De nombreux efforts pour manipuler les microbiomes sont axés sur l'amélioration de la santé humaine, et des communautés modèles comme THOR pourraient aider les scientifiques à comprendre comment les relations microbiennes complexes peuvent être modifiées pour notre bien.

Mais les informations de THOR sur le microbiome des racines des plantes, la rhizosphère, est tout aussi vital. La rhizosphère permet de coller le sol ensemble, prévenir l'érosion. Et le sol emprisonne trois fois plus de carbone que ne flotte dans l'atmosphère, ce qui en fait un élément important dans la lutte contre le changement climatique. Sachant comment les microbes individuels se réunissent pour produire les riches, le comportement complexe du microbiome du sol peut être une clé pour maximiser les avantages que nous tirons de ces communautés invisibles.

"C'est l'une des relations les plus critiques que nous ayons, " dit Handelsman.

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