Un modèle mathématique créé par des chercheurs de l'Université de l'Illinois pourrait aider les scientifiques à mieux comprendre une caractéristique intrigante des communautés microbiennes :leur capacité à atteindre la stabilité malgré leur diversité.

Les communautés microbiennes sont des groupes de micro-organismes qui existent dans une variété d'environnements - dans le sol, dans les océans, et dans nos corps. Bien que ces communautés soient complexes et diverses, ils sont capables de former des écosystèmes stables.

La stabilité peut être définie comme la manière dont la communauté gère le changement. Les communautés stables sont capables de résister à un changement dans l'approvisionnement en nutriments ou à l'invasion d'une nouvelle espèce. Les communautés moins stables sont susceptibles de changer face à ces perturbations.

Sergueï Maslov, un boursier de la faculté Bliss, professeur de bio-ingénierie, et membre du corps professoral du thème Biocomplexité au Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, et Akshit Goyal, chercheur invité du Simons Center for the Study of Living Machines du NCBS, à Bangalore, Inde, ont déjà collaboré sur un modèle prédictif pour mesurer la stabilité de la communauté microbienne sur la base d'un concept économique appelé « problème de mariage stable » tel que publié dans La revue ISME . Ils ont récemment créé un modèle mathématique pour mieux comprendre comment les communautés microbiennes fonctionnent et maintiennent la stabilité.

"Vous avez des centaines, voire des milliers, d'espèces coexistant dans le même petit volume, " Maslov a déclaré. "C'est presque comme une forêt tropicale en miniature."

Leur étude, Publié dans Lettres d'examen physique , a été reconnu comme le choix de l'éditeur dans la revue et accompagné d'un article APS Focus populaire.

Leurs travaux portent sur trois aspects caractéristiques des communautés microbiennes. Le premier est la diversité, le nombre d'espèces qui coexistent dans la communauté. La seconde est la stabilité, et le troisième est la reproductibilité, c'est-à-dire la fréquence à laquelle une espèce particulière sera présente dans une communauté.

Maslov compare à nouveau cet aspect à une forêt tropicale. Une forêt tropicale en Amérique du Sud et une forêt tropicale en Afrique peuvent sembler similaires, mais ils contiennent chacun des espèces différentes. Il est logique que ce soit le cas :il est peu probable qu'une espèce indigène d'Afrique migre vers l'Amérique du Sud.

« Dans les communautés microbiennes, nous ne pouvons pas faire cet argument, " dit Maslov. " Tous les microbes, assez fréquemment, sont transportés d'un endroit à un autre, et pourtant, vous pouvez avoir différents ensembles d'espèces dans les parcelles de sol voisines."

Leur modèle a considéré cela pour essayer de comprendre quelles espèces sont toujours universellement partagées dans les communautés microbiennes, et quelles espèces sont uniques.

Ils ont découvert qu'un ingrédient clé de leur modèle était un processus connu sous le nom d'alimentation croisée. Les microbes consomment des nutriments puis excrètent des sous-produits métaboliques, qui retournent dans l'espace partagé de la communauté microbienne et sont consommés par d'autres microbes.

"Ce que nous voyons dans notre modèle, c'est l'émergence de multiples niveaux de consommation d'un nutriment, " a déclaré Maslov. "Certains microbes sont au plus haut niveau, où ils peuvent accéder directement aux nutriments fournis par l'extérieur. Certains autres microbes se spécialisent dans tout ce qui est un déchet de ce premier microbe, etc."

Maslov et Goyal voulaient voir combien de niveaux de consommation pouvaient coexister dans une communauté, et a constaté que cela dépend de la vitesse à laquelle les microbes se développent - une croissance lente favorise une plus grande diversité et un plus grand nombre de niveaux.

Un autre facteur important dans la capacité de la communauté à fonctionner est la maturité de l'écosystème. Les écosystèmes matures contiennent plus d'espèces, et ces espèces sont plus efficaces dans l'utilisation de leurs ressources. Ils ont utilisé leur modèle pour caractériser le temps nécessaire pour décrire une communauté comme un écosystème mature.

"Nous essayons de comprendre ce qui rend certains états stables, et combien de tels états stables existent, " Maslov a dit. " Quelle est la gamme de perturbations qu'un état peut tolérer avant de le changer en quelque chose d'autre ou de s'effondrer? "

Ce travail a des implications pour des écosystèmes plus vastes à travers le monde.

"Évidemment, nous voulons comprendre la stabilité du point de vue que nous perturbons l'environnement d'une manière sans précédent, " a déclaré Maslov. "Nous voulons comprendre jusqu'où nous pouvons aller avant que tout ne s'effondre."

Si les scientifiques peuvent mieux comprendre cela, ils pourront un jour apprendre à contrôler les écosystèmes microbiens. Par exemple, un microbiome du sol pourrait peut-être passer à un état différent en ajoutant des microbes ou des nutriments. Parce que les systèmes sont si complexes et diversifiés, c'est actuellement impossible à réaliser.

"C'est pourquoi notre Saint Graal, dans ce travail et dans le futur, est d'être capable de contrôler de manière prévisible et fiable les transitions de l'écosystème de l'état dans lequel il se trouve à l'état que nous voulons qu'il soit, " Maslov a déclaré. "Nous voulons être en mesure de le faire sans avoir réellement un effondrement."