Divers microbiomes intestinaux bloquent la colonisation pathogène en consommant les nutriments requis

Une étude menée par l’Université d’Oxford a révélé que diverses communautés de bactéries intestinales commensales résidentes protègent collectivement l’intestin humain des micro-organismes pathogènes en consommant les nutriments dont l’agent pathogène aurait besoin pour pouvoir s’implanter chez l’hôte.

L’équipe a utilisé une approche écologique pour étudier comment la colonisation par deux agents pathogènes bactériens majeurs :Klebsiella pneumoniae et Salmonelle entérique sérotype Typhimurium (Saint-Typhimurium) – est influencé par une gamme de bactéries intestinales humaines à la fois in vitro et chez des souris gnotobiotiques. Ils ont découvert que la diversité écologique du microbiome était importante pour la résistance à la colonisation. Alors qu’une seule espèce de microbiote intestinal avait à elle seule des effets négligeables sur la résistance efficace aux agents pathogènes, certaines combinaisons d’espèces clés essentielles au sein de diverses communautés présentaient une résistance à la colonisation beaucoup plus grande lorsqu’elles étaient réunies.

Après avoir découvert que ces communautés bloquent la croissance des agents pathogènes en consommant les nutriments dont ils auraient besoin, l’équipe a également montré que le concept de blocage des nutriments peut être utilisé pour prédire des ensembles spécifiques de microbiote commensal qui résisteront à un nouveau pathogène bactérien, en utilisant la séquence du génome. données seules.

Leurs découvertes combinées mettent en évidence pourquoi la diversité du microbiome est importante pour la santé humaine et pourraient indiquer le développement de nouvelles stratégies pour optimiser la santé intestinale et pour la conception rationnelle de communautés de microbiome résistant aux agents pathogènes. Le directeur de recherche Kevin Foster, PhD, aux départements de biologie et de biochimie de l’Université d’Oxford, et ses collègues ont rendu compte de leurs découvertes dans Sciencedans un article intitulé « La diversité du microbiome protège contre les agents pathogènes en bloquant les nutriments.»

L’intestin humain abrite une communauté diversifiée d’espèces bactériennes commensales collectivement appelées microbiote intestinal. L’un des avantages majeurs de ces communautés pour la santé est de protéger l’intestin contre les agents pathogènes envahissants (micro-organismes pathogènes) qui pourraient provoquer des infections nocives. « Un avantage majeur pour la santé apporté par le microbiote intestinal est la protection contre la colonisation pathogène et les infections ultérieures ; un phénomène connu sous le nom de résistance à la colonisation », a noté l’équipe.

Cependant, bien que l’importance du microbiote pour la résistance à la colonisation soit bien connue, le microbiome est un système écologique extrêmement diversifié et complexe, et cette complexité fait de la compréhension des espèces bactériennes et des interactions qui conduisent à la résistance à la colonisation contre un agent pathogène donné un véritable défi. Jusqu’à présent, on ne sait pas exactement comment se produit cet effet protecteur et si certaines espèces bactériennes jouent un rôle plus important que d’autres. « … bien que l’importance du microbiote pour la résistance à la colonisation soit claire, nous manquons actuellement des principes nécessaires pour prédire a priori quelle espèce de microbiote sera efficace contre un pathogène donné », ont poursuivi les enquêteurs. « Les espèces constituantes peuvent également s’influencer mutuellement et interagir écologiquement d’une manière essentielle à la résistance à la colonisation. Cette combinaison de diversité d’espèces et de potentiel d’interactions écologiques fait de la résistance à la colonisation un phénotype difficile à comprendre.

Pour étudier plus en détail comment et quels microbiotes intestinaux protègent contre les agents pathogènes microbiens, les chercheurs de l’Université d’Oxford ont testé 100 souches différentes de bactéries intestinales, individuellement et en combinaison, pour déterminer leur capacité à limiter la croissance de deux agents pathogènes bactériens nocifs : Klebsiella pneumoniae et Salmonelle entérique. Les résultats ont montré que même si les bactéries intestinales individuelles montraient une très faible capacité à limiter la propagation de l’un ou l’autre agent pathogène, lorsque des communautés comprenant jusqu’à 50 espèces étaient cultivées ensemble, les agents pathogènes se développaient jusqu’à 1 000 fois moins efficacement que lorsqu’ils étaient cultivés avec n’importe quelle espèce individuelle.

Cet « effet de protection de la communauté » a été observé indépendamment du fait que les bactéries aient été cultivées ensemble dans des flacons ou chez des souris gnotobiotiques « sans germes » qui n’avaient aucune bactérie intestinale résidente au début des expériences. « Ces résultats démontrent clairement que la résistance à la colonisation est une propriété collective des communautés du microbiome », a déclaré Foster. “En d’autres termes, une seule souche n’est protectrice que lorsqu’elle est combinée avec d’autres.”

Cependant, les chercheurs ont découvert que des membres spécifiques des communautés bactériennes, et pas seulement la diversité globale, avaient un effet critique sur le niveau de protection. Certaines espèces du microbiome se sont révélées essentielles à la protection communautaire, même si elles n’offraient que peu de protection à elles seules.

Les chercheurs ont démontré que les communautés bactériennes protectrices bloquent la croissance des agents pathogènes en consommant les nutriments dont ils ont besoin. Comme ils l’écrivent dans leur rapport : « Malgré cette complexité, nous constatons que ces modèles écologiques s’expliquent par un principe sous-jacent simple : la capacité collective de certaines communautés à consommer des nutriments et à bloquer la croissance d’agents pathogènes… L’effet de blocage des nutriments est une propriété de l’organisme. communauté entière plutôt que d’une seule espèce. Le fait que la résistance à la colonisation soit un trait au niveau communautaire explique l’importance de la diversité et de la complexité écologiques que nous avons observées dans nos expériences.

En évaluant les génomes des différentes espèces bactériennes, les scientifiques ont en outre constaté que les communautés les plus protectrices étaient composées d’espèces ayant des compositions protéiques très similaires à celles des espèces pathogènes. “Nos analyses génomiques suggèrent que les communautés qui chevauchent fortement les agents pathogènes dans leurs fonctions codées offrent la meilleure résistance à la colonisation”, ont-ils commenté.

Le profilage métabolique a démontré que les espèces protectrices avaient également des besoins en sources de carbone similaires à ceux des agents pathogènes. “La résistance à la colonisation n’a été observée que lorsque les communautés partageaient un chevauchement suffisamment élevé de leur profil d’utilisation des sources de carbone avec un agent pathogène”, a poursuivi l’équipe. « De plus, les communautés présentant le plus grand chevauchement métabolique avec un agent pathogène ont fourni la plus grande résistance à la colonisation. »

La première auteure, Frances Spragge, des départements de biologie et de biochimie de l’Université d’Oxford, a commenté : « Bien que l’augmentation de la diversité du microbiome augmente la probabilité de protection contre ces agents pathogènes, le chevauchement des profils d’utilisation des nutriments entre la communauté et l’agent pathogène est essentiel. Certaines espèces qui jouent un rôle crucial dans la protection des communautés présentent un degré élevé de chevauchement métabolique avec l’agent pathogène, et donc des demandes en nutriments similaires.

Les chercheurs ont utilisé ce principe de blocage des nutriments pour prédire les communautés de bactéries qui offriraient une protection faible et forte contre une résistance aux antimicrobiens (RAM). E. coli souche. Lors de tests expérimentaux, les communautés qui avaient les nutriments les plus élevés se chevauchent avec les communautés les plus riches en éléments nutritifs. E. coli Les souches étaient jusqu’à 100 fois plus efficaces pour réduire l’abondance du pathogène que ce que les communautés prévoyaient pour offrir une faible protection. “Nous avons appliqué nos résultats pour prédire avec succès les communautés qui résistent à une nouvelle souche cible”, ont-ils écrit.

Selon les chercheurs, ces nouvelles connaissances pourraient être développées dans de nouvelles stratégies pour lutter contre les agents pathogènes intestinaux nocifs en optimisant les communautés du microbiome intestinal. Les résultats peuvent également expliquer pourquoi les individus peuvent devenir plus sensibles à des espèces telles que K. pneumoniae après avoir pris des traitements antibiotiques qui peuvent réduire la diversité des espèces du microbiome intestinal.