L'environnement regorge de microbes. Sol, l'eau, surfaces intérieures, notre propre corps - tout habitat qui n'a pas été rigoureusement stérilisé est peuplé de milliers d'espèces de bactéries interdépendantes, virus, et d'autres organismes microscopiques.

Ces réseaux de microbiote sont le fondement biologique d'écosystèmes à plus grande échelle, et de petits changements dans la communauté microbienne peuvent provoquer des changements sismiques dans l'environnement.

Les nanoparticules font partie d'une longue liste de substances qui peuvent les perturber, mais démêler leurs effets est une tâche de Sisyphe.

Ces communautés comprennent un nombre impressionnant de microbes, dont beaucoup ne peuvent pas être cultivés en laboratoire - et même s'ils le pouvaient, les interactions complexes dans les communautés microbiennes du monde réel ne peuvent pas être reproduites par des expériences avec seulement quelques espèces.

Dans un nouvel article de la revue Nature Nanotechnologie , des chercheurs de Virginia Tech démontrent une façon d'étudier l'effet des nanoparticules sur un microbiome particulier :en examinant l'ADN d'une communauté microbienne entière plutôt que sur des espèces individuelles.

La stratégie, appelée analyse métagénomique, séquence l'ADN de tous les microbes d'un échantillon à la fois, donnant un aperçu de tous les gènes qui fonctionnent dans cet environnement.

Les résultats suggèrent que c'est un outil utile, suffisamment sensibles pour détecter les changements que d'autres méthodes pourraient manquer, y compris certaines qui peuvent avoir des implications pour la santé publique.

Amy Pruden, le professeur d'ingénierie W. Thomas Rice, et le professeur de génie civil et environnemental Peter Vikesland. Tous deux sont experts en systèmes environnementaux complexes; Pruden étudie les rôles des communautés microbiennes dynamiques et Vikesland se concentre actuellement sur les impacts de la nanotechnologie sur l'environnement.

Dans cette étude, les chercheurs se sont penchés sur les communautés microbiennes des boues activées, qui peuplent les stations d'épuration et décomposent les polluants dans les eaux usées.

"Nous utilisons le monde réel, communautés complexes, ceux qui sont importants pour l'environnement parce qu'ils purifient notre eau, " a déclaré Pruden.

Les nanoparticules sont de plus en plus courantes dans les eaux usées, lavé à partir d'une liste croissante de produits qui comprend tout, des guimauves à l'équipement médical.

Les nanoparticules utilisées dans l'étude étaient des sphères et des tiges d'or synthétisées dans le laboratoire de Catherine Murphy, professeur de chimie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. L'équipe de recherche a introduit ces nanoparticules dans un réacteur à l'échelle du laboratoire qui simule une usine de traitement des eaux usées, et a effectué une analyse métagénomique après sept jours et une autre après 56 jours.

Il s'est avéré que les nanoparticules modifiaient la distribution des gènes dans la communauté microbienne des boues activées, et que les nanoparticules sphériques avaient une plus grande influence que celles en forme de bâtonnets.

Parmi les gènes affectés figuraient ceux qui aident les bactéries infectieuses à échapper aux antibiotiques.

Les stations d'épuration ont été identifiées comme un réservoir de gènes de résistance aux antibiotiques qui finissent par se retrouver dans l'environnement, où ils présentent un risque croissant pour la santé publique.

Plus de huit semaines d'exposition aux nanoparticules d'or, le nombre total de gènes de résistance aux antibiotiques dans l'échantillon est resté stable, mais la distribution de ces gènes, c'est-à-dire contre quels antibiotiques ils se protègent - décalés. Les chercheurs ont également remarqué des changements dans les gènes qui permettent aux bactéries de résister à l'exposition aux métaux, qui sont normalement cytotoxiques.

Pendant ce temps, l'identité d'un revêtement chimique dans les nanoparticules n'a pas provoqué les mêmes changements génétiques.

« Les résultats surprenants de cette étude - que la forme des nanoparticules peut avoir un impact plus important sur la structure de la communauté microbienne que les propriétés de surface conférées par les revêtements - ont des implications importantes non seulement pour informer la conception plus sûre des nanomatériaux et atténuer les impacts involontaires sur l'écosystème et la santé publique, mais aussi de préparer des stations d'épuration pour un potentiel, défi croissant relativement négligé, " dit Pedro Alvarez, le professeur George R. Brown de génie civil et environnemental à l'Université Rice.

Alvarez étudie les applications environnementales et les implications des nanotechnologies, mais n'a pas participé à cette recherche.

Le revêtement sur les nanoparticules a fait, cependant, affecter leur répartition entre les boues et les eaux usées. Cela peut avoir des conséquences environnementales :les boues d'une station d'épuration sont recyclées et réutilisées, tandis que l'eau est rejetée dans l'environnement.

Mais ni le déplacement des nanoparticules ni les changements génétiques des microbes ne semblaient affecter l'efficacité de la décomposition des polluants. Cela met en évidence la sensibilité de cette approche métagénomique :elle peut être capable de détecter des changements subtils dans une communauté avant qu'ils ne puissent être détectés par des mesures plus simples, comme les performances d'une station d'épuration.

"C'est comme un canari microbien dans la mine de charbon, " a déclaré Vikesland.

Pruden et Vikesland soulignent que beaucoup plus de recherches sont nécessaires pour comprendre comment les différents types de nanoparticules affectent les communautés microbiennes, et qu'il n'est pas clair si les changements qu'ils ont observés dans les gènes de résistance aux antibiotiques sont ceux qui poseraient un risque pour la santé publique.

"Nous collaborons avec des professeurs d'informatique pour faire passer cette approche d'évaluation des risques métagénomique au niveau supérieur, ", a déclaré Pruden. Ils travaillent à la création d'un outil qui pourrait aider à évaluer quels changements génétiques pourraient être problématiques.

La conclusion clé, disent les chercheurs, est que ces résultats suggèrent que l'analyse métagénomique peut fournir des informations précieuses sur les effets des nanoparticules sur un écosystème microbien complexe.

"La métagénomique dit qu'il y a un signal, " A déclaré Vikesland. "Pour le moment, nous ne savons pas quelles sont les implications réelles de ce signal, mais il y a clairement quelque chose là-dedans."