Des scientifiques dévoilent les mécanismes respiratoires cachés des bactéries intestinales

Dans une étude récente publiée dans Microbiologie naturelle, les chercheurs utilisent une technique d’exploration du génome pour étudier l’utilisation des accepteurs d’électrons respiratoires dans le microbiote intestinal humain.

Étude: Les métabolites dérivés de l’alimentation et de l’hôte sont utilisés par diverses bactéries intestinales pour la respiration anaérobie. Crédit d’image : Kateryna Kon/Shutterstock.com

Comment les micro-organismes génèrent de l’énergie

La respiration hétérotrophe implique l’oxydation et le transport d’électrons, qui créent un gradient d’ions pour la production d’adénosine triphosphate (ATP). Les réductases respiratoires sont nécessaires aux micro-organismes pour utiliser les produits chimiques de l’écosystème anaérobie comme accepteurs d’électrons générateurs d’énergie.

Les micro-organismes qui manquent d’oxygène utilisent des accepteurs d’électrons alternatifs. Le métabolisme de la fermentation domine la communauté microbienne anaérobie de l’intestin ; cependant, certaines réactions conventionnelles du métabolisme respiratoire se produisent également. Les bactéries sulfato-réductrices utilisent différents accepteurs d’électrons sulfate, tandis que les cellules immunitaires créent des accepteurs d’électrons dans l’intestin enflammé.

À propos de l’étude

Dans la présente étude, les chercheurs développent une méthode respiratoire utilisant un vaste arsenal de réductases pour accéder à divers accepteurs d’électrons métabolites. Un total de 1 533 génomes assemblés par métagénome provenant de divers procaryotes intestinaux humains ont été examinés pour déterminer si les microbes intestinaux possédant de nombreuses réductases pour chaque génome pouvaient respirer.

A cette fin, le E. lent, S. wadsworthensiset H. filiforme Les souches ont été sélectionnées pour analyse. Des composés dotés de qualités d’acceptation d’électrons dans le tractus gastro-intestinal ont été étudiés, en plus des donneurs d’électrons respiratoires courants, pour leur capacité à déclencher une stimulation de la croissance dépendante de l’urocanate.

Treize réductases de type flavine détectées dans des études protéomiques et transcriptomiques ont été générées de manière recombinante pour déterminer si les modèles d’expression génique pouvaient prédire la sélectivité du substrat enzymatique. En raison des faibles rendements de la réductase induite par l’itaconate (IrdA) E. lentdeux orthologues étroitement liés de l’IrdA ont été exprimés à partir de Berryella wangjianweii et Adlercreutzia muris. Des réductases purifiées contre des accepteurs d’électrons connus ont également été testées.

Le lien entre l’évolution de la réductase et la spécificité du substrat a été étudié à l’aide de flavines réductases du H. filiforme, S. wadsworthensis et E. lenta génomes. Des investigations mécanistiques ont été réalisées pour explorer des voies évolutives distinctes qui auraient pu aboutir à des réductases présentant des spécificités de substrat cinnamate égales.

Des mutants ponctuels ciblant les acides aminés conservés dans des cinnamates réductases représentatives ont été générés à partir des quatre clades de réductase afin de déterminer si les différents modèles de conservation du site actif dans les quatre clades de réductase reflétaient des différences mécanistiques.

Résultats de l’étude

Trois familles de bactéries intestinales humaines taxonomiquement différentes Érysipélorichacées, Burkholderiacéeset Eggerthellacées avec un arsenal d’enzymes réductases de type respiratoire, des dizaines à des centaines ont été identifiées. Au total, 22 composés ont été utilisés pour accepter les électrons respiratoires de manière spécifique à chaque espèce en criblant les espèces de chaque famille bactérienne, notamment Holdemania filiforme, Sutterella wadsworthensiset Eggerthella vers le bas. Ces processus catalysent la transformation de divers métabolites obtenus par l’hôte et l’alimentation, notamment les composés bénéfiques itaconate et resvératrol.

Les produits des métabolismes respiratoires connus, tels que le 2-méthyl succinate obtenu par l’itaconate, mettent en évidence des molécules mal comprises. Le profilage des substrats de réductase spécifie les appariements enzyme-substrat et présente une image complexe du développement de la réductase, démontrant ainsi que les réductases spécifiques de substrats cinnamates similaires ont évolué indépendamment quatre fois ou plus. Des bactéries apparentées codent pour de vastes arsenaux de réductases, la plupart des réductases respiratoires à base de flavine et de molybdoptérine possédant un peptide signal N-terminal indiquant une localisation extra-cytosolique.

Dans la famille des Actinobactéries EggerthellacéesFamille des protéobactéries Burkholderiacéeset famille Firmicutes Érysipélorichacées, les clades à haute réductase comprennent trois clades distincts qui couvrent de nombreux genres. Ces clades à haute réductase sont constitués de bactéries avec plus de 200 réductases pour chaque génome et des modèles complexes de gain et de perte de réductase, indiquant ainsi une histoire évolutive compliquée.

Une croissance respiratoire a été observée chez des bactéries produisant une flavine réductase avec une homologie de séquence de plus de 50 % avec une urocanate réductase respiratoire (UrdA) précédemment identifiée, codée dans le génome de chaque souche. Des modes de consommation spécifiques à chaque espèce ont également été observés pour plusieurs types de substrats.

Des substrats et des produits de réductase ont été trouvés dans les selles, avec différents produits chimiques trouvés dans des échantillons de souris et d’humains, bien qu’en quantités moindres dans les groupes traités aux antibiotiques. Les accepteurs d’électrons respiratoires stimulent préférentiellement la cinnamate réductase H. filiforme et E. lentdémontrant ainsi leur complexité évolutive.

La répartition géographique de l’activité réductase reflète une histoire complexe, notamment les cinnamates réductases, illustrant l’association complexe entre la sélectivité du substrat et la séquence d’acides aminés.

Les molécules d’acides aminés conservées sur les sites actifs des clades étaient nécessaires à l’activité et ont révélé des conceptions uniques de sites actifs qui séparaient fonctionnellement les cinnamate réductases. Des flavines réductases de spécificité de substrat similaire avec certaines différences fonctionnelles ont été créées grâce à des processus évolutifs parallèles. L’exposition à des antibiotiques à large spectre a affecté de manière significative la composition du microbiome intestinal dans des échantillons présentant une abondance relative de plus de 90 % de Entérocoque et Protéobactéries.

Conclusions

Les résultats de l’étude mettent en évidence un nouveau type de respiration anaérobie qui associe le métabolisme énergétique microbien au métabolome intestinal. Le microbiome intestinal se compose de différents organismes avec plusieurs enzymes réductases de type respiratoire dans leur génome, leur métabolisme respiratoire et leurs modèles d’utilisation dépendant de la souche. Cette forme de respiration peut être cruciale pour l’intestin en participant à la régulation des enzymes et des facteurs de transcription, ainsi qu’aux processus métaboliques et immunologiques.