L'une des premières choses qui vous vient à l'esprit lorsque vous pensez à Hawaï est la chaleur, plages tropicales invitantes, eau claire. En réalité, la qualité de l'eau de plage favorable est la pierre angulaire de l'industrie touristique annuelle d'Hawaï, d'une valeur de 18 milliards de dollars, le plus grand contributeur à l'économie de l'État. Donc, il n'est pas surprenant que les responsables de l'eau d'Hawaï surveillent en permanence les sources de contamination qui pourraient menacer leur principale attraction.

Pendant des années, des tests de routine ont montré que les bassins versants de la vallée de Mahaulepu et du ruisseau Waikomo dans le sud-est de Kauai contiennent fréquemment des taux élevés de bactéries indicatrices fécales (FIB) potentiellement pathogènes. Bien que des enquêtes antérieures aient conclu que les FIB ne sont pas introduits dans l'eau par le biais de fuites d'eaux usées ou de déversements illégaux d'eaux usées, le ministère de la Santé d'Hawaï (DOH) est resté préoccupé par la source. Pour mieux comprendre la cause du nombre élevé de FIB, le DOH a commandé une étude aux écologistes microbiens du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) Gary Andersen et Eric Dubinsky.

Le duo est fréquemment invité à mener des projets d'évaluation microbienne de l'eau grâce à son expertise et sa boîte à outils sans égal, qui s'articule autour d'une technologie de détection microbienne de la taille d'une carte de crédit appelée PhyloChip. Inventé par Andersen et d'autres au Berkeley Lab en 2008, la PhyloChip a déjà été utilisée pour surveiller l'eau dans la région de la baie de San Francisco, eaux tropicales autour des récifs coralliens, et dans toute la ville de Singapour.

Après avoir analysé des échantillons de 13 sites intérieurs et côtiers prélevés au cours d'une année, les scientifiques ont conclu qu'il n'y avait pas d'eaux usées humaines détectables dans le bassin versant de Mahaulepu, il n'y avait pas non plus de présence significative de matières fécales de bétail ou de faune aviaire. Deux sites de cours d'eau dans le bassin hydrographique ont montré des incidences isolées de contamination fécale de porcs et de vaches, pourtant, la plage populaire en aval de ces sites était propre.

"Le PhyloChip est capable de profiler rapidement l'ensemble de la communauté microbienne présente dans les échantillons d'eau et d'utiliser ces informations pour détecter les bactéries qui sont uniques à des sources animales ou humaines spécifiques, " dit Dubinsky, qui est également scientifique de projet au Département des sciences de l'environnement de l'Université de Californie à Berkeley, Politique et gestion. "Contrairement aux tests de contamination fécale conventionnels, qui utilisent une poignée voire une seule espèce pour identifier le potentiel de contamination, notre approche utilise un ensemble diversifié de centaines de bactéries différentes qui sont caractéristiques de chaque source fécale. À la fois, il peut en détecter près de 60, 000 espèces de bactéries et archées, ce qui signifie que nous pouvons trouver des microbes dangereux présents dans une source d'eau même si nous ne les anticipons pas."

Dans le bassin hydrographique voisin de Waikomo, une zone qui comprend la plage de Poipu, l'une des destinations touristiques les plus populaires de l'île - Dubinsky et Andersen n'ont trouvé que des preuves minimes de contamination fécale humaine. Les données PhyloChip suggèrent qu'une plage a été contaminée par des matières fécales humaines par le puits d'égout d'un hôtel voisin. De façon intéressante, ce site n'avait pas été identifié par une surveillance antérieure avec des tests FIB traditionnels.

Ayant apaisé les craintes de fuites généralisées du système d'égouts, les scientifiques proposent que les niveaux historiquement élevés de FIB sont une conséquence trompeuse et alarmante de l'utilisation de méthodes de test à l'ancienne, dont aucun n'a été conçu pour être utilisé sous les tropiques.

Dubinsky et Andersen pensent que la présence de FIB dans l'eau de Kauai est probablement due à des entérocoques et à Clostridium perfringens - un genre et une espèce, respectivement, qui poussent généralement à l'intérieur du tube digestif des animaux - s'épanouissant dans l'environnement en dehors de leurs hôtes biologiques typiques. Ils notent que ce phénomène est fréquent dans les régions tropicales, grâce à la chaleur et à l'humidité, et la présence naturelle de ces bactéries dans l'eau n'expose pas nécessairement les gens à un plus grand risque de maladie gastro-intestinale. Cependant, de nombreux tests standard de détection de bactéries fécales utilisés pour surveiller les piscines et les plages utilisent ces organismes comme marqueurs de contamination dangereuse.

"La PhyloChip est capable d'atteindre un niveau de confiance extrêmement élevé dans la détection de sources spécifiques de contamination grâce à un processus unique qui examine plus d'un million de séquences d'ADN simultanément, " dit Andersen, un scientifique principal dans le domaine des biosciences.

En 2017, la PhyloChip a suscité l'intérêt de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA). Des études en cours entre le laboratoire d'Andersen et l'EPA utilisent la technologie pour évaluer le ruissellement fécal agricole dans plusieurs bassins versants aux États-Unis, dont le Nebraska, Kansas, Géorgie, Louisiane, Washington, et Massachusetts. "Notre objectif est de répliquer et d'examiner les données produites par la méthode PhyloChip afin de pouvoir les comparer à d'autres méthodes de suivi des sources, " a déclaré Steven Baker, le co-chercheur principal sur ce projet de la région 7 de l'EPA. "Augmenter notre confiance dans l'identification des sources spécifiques de contamination fécale renforce notre capacité à prendre les bonnes décisions de gestion et nous aide à prioriser où placer nos efforts d'atténuation."

En plus de ses applications de surveillance environnementale, la PhyloChip pourrait permettre des avancées dans la compréhension et l'amélioration de la santé humaine. Deuxième génome, Inc. a autorisé la technologie pour découvrir et développer des thérapies basées sur des cibles identifiées par l'examen du microbiome humain.