Un effort de collaboration par une équipe de chercheurs de trois institutions dont le Laboratoire de biologie marine (MBL) à Woods Hole, le Forsyth Institute de Cambridge et l'Université de Washington à St. Louis ont donné un premier aperçu de la façon dont les communautés microbiennes dans l'intestin - connues collectivement sous le nom de microbiome intestinal - sont spatialement organisées, découvrant un degré surprenant de mélange entre les différents membres bactériens.

L'étude, qui paraîtra dans le numéro du 13 octobre de Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS) , est le premier à examiner la structure tridimensionnelle d'un large éventail de microbes intestinaux et découvre des différences marquées entre le paysage microbien de l'intestin et celui d'autres sites du corps, comme la bouche.

"Personne n'a examiné une communauté microbienne complexe dans l'intestin de cette façon auparavant, " a déclaré l'auteur principal Gary Borisy, chercheur principal au Forsyth Institute. « Si nous voulons vraiment comprendre le rôle du microbiome, il ne suffit pas de savoir quels microbes sont présents. Nous devons aussi apprendre ce qu'ils font, à qui ils parlent et pourquoi. Une partie de la réponse à ce problème est de savoir qui est à côté de qui et qui est à côté de quoi."

C'est précisément ce que Borisy et ses collègues, y compris le premier auteur Jessica Mark Welch du Marine Biological Laboratory et ses collègues du laboratoire Gordon de l'Université de Washington à St. Louis, prévu de faire. L'équipe de recherche a introduit 15 espèces bactériennes différentes dans des souris sans germe, créer un modèle humanisé du microbiome intestinal. Bien qu'il ne s'agisse que d'une représentation partielle de l'ensemble des microbes généralement présents dans l'intestin humain, cette communauté microbienne simplifiée a fourni une opportunité clé pour explorer comment les microbes s'assemblent dans des quartiers distincts.

"Nous avons utilisé des sondes qui éclairaient chacune des espèces bactériennes avec une couleur différente, afin que nous puissions voir exactement comment les bactéries étaient disposées les unes par rapport aux autres et par rapport à des points de repère tels que la nourriture et les tissus de l'hôte, " a déclaré Jessica Mark Welch, scientifique associé au Laboratoire de biologie marine.

Sur la base d'études antérieures sur le microbiome intestinal ainsi que de leurs propres recherches sur le microbiome buccal (en particulier la plaque qui se forme sur les dents), l'équipe de recherche s'attendait à voir une quantité importante de structure.

"Sur les sites que nous avons examinés jusqu'à présent dans la bouche, nous voyons des communautés microbiennes hautement ordonnées - à tel point que vous pourriez les imaginer comme des organes multicellulaires, comme un foie ou un thymus, " expliqua Borisy. " Ils sont faits de cellules bactériennes, bien sûr, mais il existe de nombreux types de cellules différents organisés de manière très structurée, comme un organe du corps."

Mais ce n'est pas ce qu'ils ont trouvé. Dans l'intestin, les chercheurs ont observé un degré élevé de mélange entre les microbes - pas un mélange complètement homogène, mais toujours très mélangés. "Nous l'assimilons à un bioréacteur, où les choses sont agitées et bien mélangées, " a ajouté Borisy.

Même si ce modèle de microbiome intestinal manquait de structure hautement organisée, les chercheurs ont identifié quelques "micro"-habitats, où les cellules bactériennes ont tendance à se rassembler. Ces sites comprennent le tissu qui tapisse la surface intérieure de l'intestin (l'"épithélium"), qui est généralement recouvert d'une couche de mucus. Ils comprennent également l'espace central (la "lumière"), où la nourriture ainsi que le mucus sont collectés. Alors que les populations microbiennes à ces endroits variaient quelque peu dans leur composition globale - c'est-à-dire, les proportions relatives des différentes bactéries peuvent fluctuer - les chercheurs n'ont observé aucune différence marquée, comme une espèce bactérienne trouvée exclusivement sur un site et pas sur un autre.

"Nous pensons que l'hôte homogénéise la communauté microbienne, en utilisant des contractions musculaires pour mélanger le contenu de l'intestin et le pousser contre la paroi intestinale, et la mue du mucus et des cellules épithéliales de la paroi dans la lumière, " a ajouté Mark Welch. " Il se peut que ce mélange soit ce qui permet une relation stable entre l'hôte et les microbes. "

La capacité des chercheurs à résoudre cette image microbienne complexe découle d'une stratégie expérimentale dans laquelle Borisy et ses collègues combinent des technologies et des méthodes sophistiquées. Il s'agit notamment de techniques chimiques qui permettent de marquer 15 microbes différents; des méthodes d'imagerie avancées capables de détecter et de résoudre ces étiquettes ; microscopie de pointe qui peut trancher les tissus optiquement (plutôt que physiquement) pour visualiser le complexe, spécimens tridimensionnels; et un logiciel qui facilite l'analyse et la reconstruction de centaines d'images biologiques. Cette approche innovante a d'abord été appliquée aux études du microbiome de la plaque, publié par Borisy et ses collègues en 2016, et plus récemment au microbiome intestinal, comme décrit dans leur nouvelle étude PNAS.

Bien que le microbiome intestinal puisse sembler déconnecté de ceux trouvés dans d'autres parties du corps, il y a des leçons cruciales qui peuvent émerger de leur étude d'une manière holistique. La plupart des travaux du Forsyth Institute portent sur le microbiome buccal avec pour objectif de mieux comprendre les communautés microbiennes. En plus de mieux comprendre les règles régissant un microbiome particulier en étudiant une variété de sites du corps, il est également possible que les communautés microbiennes - bien que physiquement séparées - puissent interagir de manière à influencer la santé.

Borisy a souligné que ce type de recherche sur le microbiome en est à ses balbutiements. Néanmoins, il est essentiel pour développer une compréhension approfondie de la fonction microbienne. "Imaginez que vous veniez à Boston et que quelqu'un vous remette un annuaire téléphonique de tous ceux qui y vivent. C'est super - maintenant vous avez une liste de qui est là. Mais dites-moi, qu'avez-vous appris sur Boston en tant que ville ? »