On a jusqu’ici fixé des rôles métaboliques, voire pathogènes à des microbes bien précis. Mais en fait, ils agissent à plusieurs, tant dans un biofilm que dans un compost de jardinier. C’est l’ensemble qu’il faut connaître et protéger.
Les bactéries n’organisent pas de dîners et ne racontent pas de blagues, mais elles sont sociales à leur manière. Lorsque la présence de nourriture leur donne l’opportunité de grandir, de se reproduire et d’évoluer, ils formeront rapidement, voire avec impatience, des communautés. Comme une ville portuaire surgissant le long d’une voie navigable, une communauté diversifiée de bactéries et d’autres microbes reconnaîtra une bonne situation pour se développer et se développera.
Chaque communauté bactérienne a une histoire d’origine. Une cuve de vin fermentant pendant des mois, un biofilm dans les poumons d’un patient atteint de mucoviscidose et une source chaude riche en soufre : tout a commencé avec un ensemble de cellules fondatrices qui ont formé un réseau robuste d’espèces en interaction. Ces communautés peuvent remplir des fonctions biochimiques qu’aucune espèce ne peut remplir seule. Il faut un quorum de souches de Lactococcus et de Streptococcus travaillant ensemble pour donner au fromage cheddar sa texture et son piquant. Différentes combinaisons de microbiote intestinal peuvent améliorer ou atténuer l’efficacité d’une pilule.
Cependant, il n’existe pas de règles évidentes pour expliquer comment une communauté bactérienne se rassemble ou pourquoi certaines espèces se développent. La plupart des biologistes, lorsqu’ils sont confrontés à la description d’une communauté d’organismes, cataloguent la liste des espèces présentes. Mais le nombre d’espèces bactériennes est si vaste, leur durée de vie si courte et les différences entre deux espèces si infimes que les noms d’espèces ne fournissent pas nécessairement d’informations utiles.
C’est pourquoi un groupe de physiciens devenus microbiologistes tentent d’utiliser des techniques de séquençage du génome à grande échelle pour découvrir les règles universelles qui pourraient régir les communautés bactériennes – une approche big data des microbes. Au lieu de nommer les espèces par leur nom, ils se concentrent sur ce que font les organismes, dans le but de reconnaître quels rôles sont essentiels au sein d’une communauté donnée.
“Il y a une redondance – par exemple, deux espèces peuvent remplir la même fonction – et la même espèce peut remplir des fonctions différentes selon que vous modifiez l’environnement“, a déclaré Otto Cordero , microbiologiste au Massachusetts Institute of Technology. “La taxonomie n’est pas aussi informative que la fonction.”
L’année dernière, dans le laboratoire de Cordero, des recherches menées par le microbiologiste Matti Gralka ont identifié un ensemble de fonctions microbiennes qui pourraient être prédites sans informations sur les espèces. Après avoir caractérisé le métabolisme de 186 souches bactériennes différentes collectées dans l’océan Atlantique, il a découvert qu’il pouvait prédire les préférences alimentaires de base d’un microbe donné en se basant uniquement sur son génome.
L’équipe de Gralka a découvert qu’elle pouvait prédire l’aliment préféré simplement en mesurant la composition moléculaire du génome. Les résultats ont été publiés dans Nature Microbiology .
En 2018, un article scientifique rédigé par Sanchez et son équipe a donné aux microbiologistes la permission de simplifier leur réflexion. Leurs recherches révolutionnaires ont montré que si l’on prenait du recul et laissait fondre des détails très spécifiques, comme les noms exacts des espèces, on pouvait mieux comprendre la logique d’une communauté bactérienne, comme si l’on regardait une peinture abstraite de loin.
Comme Grilli, Sánchez était physicien avant de se tourner vers l’écologie microbienne. “J’ai décidé de commencer à travailler sur l’écologie et les communautés microbiennes parce que j’ai remarqué qu’au niveau quantitatif, c’était un domaine qui n’avait pas été aussi bien étudié que l’évolution”, a déclaré Sanchez.
Ces travaux ne font qu’appuyer un principe bien connu en phytothérapie: le totum d’une plante (l’ensemble des principes biologiques sélectionnés par l’évolution au sein de cette plante), est bien plus efficace que les molécules séparées du même végétal ….
Pour l’étude, son laboratoire a cultivé des bactéries sauvages à partir de feuilles mortes et de sol autour de New Haven, dans le Connecticut. Ils ont découvert qu’avec le même ensemble de conditions environnementales – mêmes sources de carbone, température, acidité, etc. – toute communauté microbienne parviendra à peu près à la même composition fonctionnelle, quelle que soit la manière dont elle a commencé. Dans ses expériences, avec chaque population, les mêmes niches apparaissaient et étaient remplies encore et encore, mais pas nécessairement par les mêmes espèces de bactéries.
Les communautés microbiennes sont des acteurs clés de chaque cycle écologique sur Terre. Lorsqu’un arbre tombe dans une forêt, une litanie de champignons et de bactéries s’assemblent pour le manger et le décomposer, ramenant ainsi les composants de l’arbre aux cycles nutritionnels globaux. Avec les concepts introduits par Gralka, Sanchez, Cordero et d’autres écologistes microbiens, les niches de cette nouvelle communauté sont prévisibles. Le bois est principalement composé de cellulose et d’hémicellulose, qui sont des polymères de glucose ; par conséquent, une communauté fonctionnelle, prête à participer à la décomposition des forêts, hébergerait des bactéries consommatrices de sucre, serait abondante en gènes digérant le sucre et aurait des génomes composés d’une proportion plus faible de molécules GC. Une augmentation soudaine et mystérieuse du nombre de mangeurs d’acide pourrait être le signe que quelque chose ne va pas, a suggéré Gralka.
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