Première expérience métagénomique "3D" sur un microbiome naturel complexe
Publié par Adrien le 15/03/2017 à 00:00
Source: CNRS-INSB
La complexité des communautés microbiennes fait qu'il est difficile de caractériser les génomes des espèces qui les composent, ainsi que d'en suivre la dynamique au cours du temps. L'équipe de Romain Koszul du département Génomes et Génétique de l'Institut Pasteur (L’Institut Pasteur est une fondation française privée à but non lucratif qui se consacre à l'étude de la biologie, des microorganismes, des maladies et des vaccins. Il est...), vient de démontrer que l'analyse des collisions physiques entre molécules d'ADN d'une population microbienne résout plusieurs des limitations techniques actuelles, permettant notamment d'identifier les hôtes (Les Hôtes (Hostess) est une nouvelle de science-fiction d'Isaac Asimov, publiée pour la première fois en 1951 dans Galaxy Science Fiction. Elle est disponible en français dans le recueil Le Robot qui rêvait.) bactériens de phages et plasmides de la population. Ces travaux ont été publiés le 17 février 2017 dans la revue Science Advances.


Figure: Avec l'approche de métagénomique dite meta3C (3C pour capture de conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent. Les molécules dans lesquelles les atomes sont liés chimiquement de la même façon, mais dans lesquelles l'arrangement spatial des atomes est...) de chromosome), une carte de contacts entre tous les fragments d'ADN microbiens est établie. Des analyses computationnelles permettent de reconstituer les génomes des différentes bactéries (larges groupes de contigs faisant beaucoup de contacts entre eux) et des phages (qui correspondent a des petits groupes de fragments d'ADN) et d'en déduire quels phages sont en contact avec quelles bactéries... par exemple, l'ADN de la bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des bactéries...) 1 est en contact avec l'ADN du phage I, ce qui suggère que cette bactérie est l'hôte de ce phage. Les bactéries 2 et 3 sont toutes deux en contact avec l'ADN du phage II, ce qui suggère que ce phage peut infecter ces deux espèces.
© Romain Koszul. Martial Marbouty

Le microbiote (Le microbiote est une nouvelle dénomination de la microflore.) intestinal est un élément essentiel de l'écosystème de notre corps. La dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :), l'équilibre et les effets des communautés microbiennes sont fortement influencés par les phages (les virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une...) bactériens) présents dans la population. C'est pourquoi l'étude des relations bactérie-phage est importante pour comprendre ces écosystèmes dans toute leur complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie...), et notamment comment ils évoluent au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

La métagénomique est la discipline qui permet l'étude du métagénome, ou l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) des fragments d'ADN issus de populations de microorganismes comme le microbiote. Les limitations dans les techniques de séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide nucléique comme...) font qu'il est difficile, d'une part, de caractériser les génomes bactériens et viraux complets à partir d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le...) complexe d'espèces, et d'autre part, lorsqu'on parvient à déterminer des séquences d'ADN de phages présentes dans une population de bactéries, d'attribuer les séquences de phages à leurs hôtes bactériens. Pour lever ces freins, l'équipe de Romain Koszul a utilisé une nouvelle approche de métagénomique, dite meta3C (3C pour capture de conformation de chromosome), une méthode expérimentale (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de données sur le domaine d'étude, et la confrontation du modèle aux faits.) et computationnelle qui exploite les contacts physiques entre les molécules d'ADN pour en déduire la proximité. Lors d'un précédent travail, la technique avait été validée sur des populations bactériennes contrôlées et connues. Dans cette étude, une population microbienne de composition inconnue a été analysée. Le principe repose sur la quantification des contacts entre molécules d'ADN dans la population. Grace à un agent fixatif, les structures 3D de tous les ADN sont gelées, et les fréquences de contacts entre ceux-ci mesurées par séquençage haut debit. Une carte de contacts entre tous les fragments d'ADN de la population est ainsi générée, à partir de laquelle on peut reconstituer, grâce a des algorithmes développés dans le laboratoire, les génomes des différentes bactéries et des phages de la population, et ce en une seule expérience. Puis, en analysant les contacts entre ces génomes, l'équipe est capable d'en déduire quels phages sont en contact avec quelles bactéries...

Une des prouesses de cette étude est de démontrer l'efficacité de la méthode sur un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) naturel complexe: le microbiote intestinal de souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant tout l’espèce commune Mus musculus, connue aussi comme animal de compagnie ou de...). A partir d'une selle de souris, les contacts entre près de 400000 petits fragments d'ADN microbien ont été caractérisés, à partir desquels plus d'une centaine de génomes bactériens et viraux ont été reconstitués. Et les contacts physiques entre ces génomes ont été identifiés.

Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour dresser un tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) complet de la structure génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement d'un organisme, d'un organe, d'un cancer, etc. à l'échelle du...) de la flore intestinale (La flore intestinale est l'ensemble des micro-organismes qui se trouvent dans le tube digestif. Le terme de flore intestinale n'est guère correct, puisqu'il...), avec identification de nouveaux phages et leur spectres d'infection, c'est-à-dire leur capacité a infecter une ou plusieurs bactéries. Ce type d'analyse du microbiote a des implications importantes en santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou d'infirmité.) humaine, en ouvrant la possibilité d'étudier la dynamique de ces écosystèmes. On peut étudier, par exemple, comment des gènes de résistance aux antibiotiques se propagent dans des populations microbiennes complexes dans différentes conditions.

Les travaux de l'équipe de Romain Koszul s'inscrivent dans cette perspective car elle fait désormais partie d'un consortium européen qui rassemble les efforts de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) de résistance aux antimicrobiens, la Joint Programming Initiative on Antimicrobial Resistance (JPI AMR), et va appliquer cette méthode sur des échantillons humains hospitaliers et d'autres issus de l'agroalimentaire. Les analyses fourniront des informations précieuses sur l'adaptation et l'évolution des espèces présentes dans l'écosystème microbien.
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