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Quel est le gène le plus important de l’écosystème ?

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Publié le lundi, 20 juillet 2015

Les écosystèmes microbiens tels que les stations d’épuration biologiques ou l’appareil gastro-intestinal humain abritent une multitude presque incalculable d’espèces bactériennes. Des scientifiques du Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) et de la Life Sciences Research Unit (LSRU) de l’Université du Luxembourg viennent de réussir pour la première fois, en collaboration avec des chercheurs américains, à déterminer les espèces clés de voûte de ces écosystèmes à l’aide de données complètes sur la génétique et le métabolisme bactériens. Des calculs sur ordinateur montrent que ces espèces bactériennes, qui jouent un rôle central dans le fonctionnement de ces écosystèmes, ne sont cependant pas les plus fréquentes.

Les bactéries moins nombreuses, mais possédant de multiples exemplaires de gènes uniques primordiaux (les chercheurs parlent de « gènes clés »), qui peuvent donc être transcrits à une fréquence disproportionnellement élevée, sont beaucoup plus importantes. Les résultats de l’équipe emmenée par le professeur Prof. Paul Wilmes, détenteur d’une bourse FNR ATTRACT, ont aussi une importance sur le plan médical : lorsque des communautés de microbes sont déstabilisées à cause d’une maladie, le fait de soutenir de manière ciblée les espèces bactériennes centrales peut dans certaines conditions avoir des bienfaits sur la santé. L’étude, Comparative integrated omics: identification of key functionalities in microbial community-wide metabolic networks,vient d’être publiée dans la nouvelle revue spécialisée du groupe Nature Publishing Group, « npj Biofilms and Microbiomes ».

Il était difficile jusqu’à présent pour les scientifiques d’analyser les dépendances auxquelles les bactéries sont soumises dans un écosystème complexe comme l’intestin, voire une station d’épuration biologique. La plupart du temps, ils déterminaient le nombre d’organismes de ces espèces qui apparaissent ensemble dans des conditions environnementales variables. Une densité similaire des bactéries est considéré comme indice d’interactions mutuelles. « L’émergence des nouvelles technologies omiques, telles que la génomique, la transcriptomique ou la protéomique, a ouvert des possibilités totalement inédites d’étude des écosystèmes », explique Paul Wilmes. « Grâce aux analyses à haut débit, dans le cadre desquelles nous saisissons de très grandes quantités de données, nous pouvons à présent reconstruire sur ordinateur les réseaux du métabolisme. Cela nous permet de comprendre comment les organismes s’influencent mutuellement. Ce qui nous importait particulièrement dans notre étude, c’était d’identifier les gènes clés spécifiques qui jouent un rôle central dans le métabolisme des communautés microbiennes. Nous avons ensuite pu attribuer ces gènes à des espèces clés de voûte bien précises. »

Pour ce faire, Paul Wilmes et son équipe ont prélevé des échantillons de bassins d’épuration à différents moments de l’année. Ils ont ensuite identifié la totalité des gènes, analysé ceux qui sont transcrits et obtenu un aperçu des protéines résultant de cette transcription. « Cette combinaison de métagénomique, de métatranscriptomique et de métaprotéomique nous a permis de reconstruire sur ordinateur le réseau du métabolisme de toute la communauté d’organismes », explique Dr. Anna Heintz-Buschart, scientifique au LCSB et principale auteure de l’article. « Nous voyons ainsi quelles substances peuvent en principe être produites par la communauté de vie, quels gènes sont présents en plusieurs exemplaires dans différentes espèces bactériennes et en quelle quantité certaines protéines sont formées. »

Ces découvertes ont ensuite permis aux chercheurs d’identifier les espèces clés de voûte : « Elles assument une fonction essentielle dans l’écosystème », explique Paul Wilmes. « De nombreuses autres espèces dépendent de leurs métabolites. Leur disparition pourrait avoir des conséquences dramatiques sur l’ensemble de l’écosystème. Mais si on soutient les espèces clés de voûte, la communauté de vie se stabilise. »

Le directeur du LCSB, Prof. Dr Rudi Balling, explique l’importance médicale des nouvelles découvertes : « Nous partons du postulat que des pathologies comme la maladie de Parkinson peuvent trouver leur origine dans le dysfonctionnement de la composition des communautés de vie microbiennes dans le corps humain. Ces connaissances sur les espèces clés de voûte nous aideront à l’avenir à analyser de plus près les causes moléculaires et à étudier des mesures permettant de reconstruire l’équilibre écologique de l’intestin, par exemple. »

LCSB director Prof. Rudi Balling explains the medical importance of the new insights: “We assume that diseases such as Parkinson’s could in part be caused by a disruption in the composition of microbial communities in the human body. With this knowledge about keystone genes and species, we can take a closer look at the molecular causes in future – and explore measures for restoring ecological balance in the gut, for example.”

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