Des chercheurs du Royaume-Uni et d’Allemagne, ainsi que d’autres collaborateurs internationaux, ont étudié l’évolution des bactéries du microbiome intestinal humain, en se demandant comment ces microbes persistent tout au long de leur vie, compte tenu des facteurs d’influence internes et externes.

Les résultats de l’étude permettront d’adapter les probiotiques, des bactéries vivantes présentes dans certains aliments ou compléments alimentaires, ainsi que les interventions alimentaires ou médicales, afin de traiter les maladies intestinales et de maintenir un microbiome intestinal sain.

Le maintien d’une population microbienne intestinale stable et saine est mutuellement bénéfique pour nous et les bactéries. En échange de la nutrition et d’un habitat confortable, la communauté microbienne nous rend la pareille en nous procurant des avantages pour la santé, que nous commençons à comprendre.

L’auteur principal et chef de groupe, le Dr Falk Hildebrand, du Quadram Institute et de l’Earlham Institute, explique : « Nous savons que certains microbes nous colonisent à la naissance, et que certains peuvent vivre avec nous pendant des décennies. Pourtant, bien que des études aient porté sur des espèces microbiennes individuelles, les mécanismes et l’échelle de la persistance dans le microbiome dans son ensemble n’ont pas été explorés. »

Pour examiner cette question, une équipe de scientifiques de l’Institut Earlham et de l’Institut Quadram du parc de recherche de Norwich, ainsi que le Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL) en Allemagne, ont utilisé la métagénomique pour analyser les stratégies d’évolution et la persistance de différentes bactéries dans le microbiome intestinal humain.

La métagénomique est l’étude de tous les gènes de nombreux organismes différents dans une population. En ce qui concerne le microbiome intestinal humain, ce processus fournit non seulement des informations détaillées sur les souches de bactéries présentes, mais indique également les capacités d’amélioration de ces différentes souches, sur la base de leur génétique, pour maintenir l’intestin en bon état de fonctionnement.

À partir de l’analyse d’échantillons de selles, l’équipe a réexaminé les métagénomes de plus de 2 000 échantillons d’adultes et de nourrissons, dont plusieurs provenant des mêmes familles, et a découvert trois grandes stratégies de dispersion qui sous-tendent la persistance des bactéries intestinales humaines. Les données provenaient d’études publiées précédemment qui examinaient les changements du microbiome au fil du temps, chaque individu fournissant en moyenne 2 à 3 échantillons à plusieurs mois d’intervalle.

Le dernier auteur et directeur de l’EMBL Heidelberg (activités scientifiques), le professeur Peer Bork, a déclaré : « En examinant les séries chronologiques des individus et des membres de la famille et en les superposant à des informations géographiques, allant du foyer au pays en passant par la ville, nous avons identifié des groupes de souches bactériennes qui présentent des stratégies de dispersion différentes. Cela a présenté des modèles de persistance très différents dans l’hôte, la propagation régionale et les distributions géographiques de centaines d’espèces bactériennes. »

Les données ont été intégrées dans un ensemble diversifié de 5 278 métagénomes, qui ont été sondés pour analyser les schémas de persistance dans les différents types de bactéries et la façon dont ils étaient influencés par les facteurs communs : l’âge, les membres de la famille, la région géographique et l’utilisation d’antibiotiques.

« Notre analyse montre que la plupart des souches de bactéries présentes dans le microbiome sont très persistantes – les chances qu’une souche persiste pendant au moins un an étant supérieures à 90 % », a déclaré le Dr Hildebrand.

« Certaines espèces de microbes ont montré des différences constantes, soit en tant que groupes taxonomiques très persistants, soit en tant que groupes peu persistants, dépendant davantage des échanges entre les membres de la famille. Chez les bébés, cependant, la persistance moyenne des souches bactériennes a chuté à 80 %. Ce n’est pas inattendu ; nous savons que, surtout chez les nouveau-nés, il y a un échange continu de microbes intestinaux. »

Le Pr Bork, a ajouté : « Ce que l’étude montre, c’est que les niveaux de persistance intrinsèque des bactéries observés chez les adultes se reflètent également chez les enfants, et que progressivement, nous commençons à acquérir ces bactéries persistantes jusqu’à environ dix ans, âge auquel le microbiome atteint un état stable. « 

 » Les antibiotiques avaient des effets différents sur les différents types de bactéries, l’effet global dépendant de la résilience des différentes bactéries, de leur persistance intrinsèque et de la mesure dans laquelle elles étaient remplaçables au sein du microbiome. « 

Pour mieux comprendre les facteurs de persistance, les chercheurs ont comparé les communautés microbiologiques non seulement au niveau individuel, mais aussi au niveau des familles, des pays et des régions. Ils ont ainsi pu regrouper les bactéries en fonction de leurs caractéristiques de persistance et, grâce à l’analyse génomique, chercher des indices de l’évolution des stratégies de ces groupes pour se disperser parmi de nouveaux hôtes humains.

Persistance tenace

Le premier groupe, appelé bactéries « tenaces », était le plus persistant et le mieux adapté à la survie dans l’intestin humain. Par exemple, ces bactéries étaient capables de survivre en passant à différentes sources de nutrition au fur et à mesure que l’hôte passait de la petite enfance à l’âge adulte.

Les bactéries tenaces sont toutefois celles qui risquent le plus de disparaître du microbiome après l’utilisation d’antibiotiques. Si nous portons ces bactéries en nous depuis l’enfance, leur perte peut être définitive. Il s’agit d’une préoccupation particulière en ce qui concerne la surutilisation et l’abus d’antibiotiques.

Un autre groupe a été appelé les bactéries « hérédipersistantes », qui sont des souches « héritées » et regroupées au sein de familles. Leur persistance est plus faible dans l’enfance et leur taux de renouvellement plus élevé, ce qui suggère que les cycles de réinfection sont la clé de leur persistance chez un individu.

L’analyse génomique a montré que ces bactéries ont tendance à posséder des gènes leur permettant de se propager par des spores, ce qui favoriserait la transmission d’un parent à son enfant, par exemple, mais aussi à travers une unité familiale.

Un troisième groupe, appelé « spatiopersistant », semble se regrouper dans ses propres zones géographiques, mais n’est pas associé aux familles.

Étant donné l’intérêt actuel pour le maintien ou la manipulation du microbiome pour la santé, l’équipe de recherche espère que son exploration holistique de l’évolution des différentes persistances des microbes intestinaux conduira à des stratégies cliniques meilleures et mieux informées.

Par exemple, des interventions ponctuelles comme la transplantation de microbiote fécal (FMT) peuvent convenir pour introduire, voire remplacer, des bactéries tenaces, mais pas les bactéries qui dépendent de la réinfection. Ces dernières pourraient bénéficier davantage de thérapies à base de probiotiques ou de changements alimentaires qui, au fil du temps, modifient l’environnement intestinal pour favoriser leur colonisation et leur persistance. Ces nouvelles connaissances sur les dommages étendus et potentiellement permanents que les antibiotiques peuvent causer au microbiome pourraient également déboucher sur de nouvelles stratégies visant à atténuer ces différents effets.

« Notre étude nous a donné une bien meilleure idée des bactéries intestinales qui sont étroitement associées à leur hôte et de celles qui sont plus enclines à changer d’hôte. Il s’agit d’informations importantes pour les pro-pré-biotiques et la plupart des applications médicales ciblant le microbiome intestinal humain », a ajouté le Dr Hildebrand.

L’étude a été financée par le Biotechnology and Biological Sciences Research Council et le Conseil européen de la recherche.