Des scientifiques du Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) ont réussi pour la première fois, en collaboration avec des partenaires du Luxembourg et des États-Unis, à mesurer avec précision les interactions complexes dans un écosystème. Ils se sont appuyés sur le modèle de l’écosystème « station d’épuration biologique », dans lequel vivent de nombreuses espèces bactériennes qui participent à l’assainissement des eaux usées.

Les résultats obtenus permettent à l’équipe du LCSB de démontrer et d’associer différentes théories écologiques développées sur des systèmes macrobiotiques tels que les forêts, les fleuves ou les mers, mais qui ne peuvent être testées en profondeur dans ces espaces naturels, compte tenu de la taille.

L’équipe de chercheurs, emmenée par le Professeur Dr Paul Wilmes, chef du groupe Biologie des écosystèmes au LCSB et détenteur d’une bourse Attract du Fonds National de la Recherche, a eu recours à des méthodes de biologie systémique pour réaliser ces analyses. Leurs résultats fournissent des enseignements importants et fondamentaux qui aiguisent considérablement notre compréhension des communautés microbiennes, y compris celles du corps humain – dans l’intestin par exemple. Les chercheurs publient aujourd’hui leur article Community-integrated omics links dominance of a microbial generalist to fine-tuned resource usage dans Nature Communications (DOI :‪10.1038/ncomms6603).

Les effluents traités dans les stations d’épuration biologique contiennent un mélange de substances riche en énergie. Ils contiennent des matières grasses, des protéines, des hydrates de carbone et de nombreuses autres substances dont les bactéries se nourrissent. Les stations d’épuration deviennent ainsi des écosystèmes complexes : de nombreuses espèces bactériennes s’adaptent aux conditions de vie dans l’eau, luttent pour les ressources et recherchent une niche dans laquelle elles ont le plus de chances de survivre. « Les techniques mises au point au LCSB nous permettent de réaliser une analyse extrêmement précise de ces processus au niveau moléculaire », explique le Dr Émilie Muller, principal auteur de l’article.

Les chercheurs s’appuient sur ce qu’on appelle les « sciences omiques » (génomique, transcriptomique, protéomique ou métabolomique) ainsi que sur de nouvelles méthodes bioinformatiques afin d’obtenir une analyse intégrée des données. « Celles-ci nous permettent, grâce à des échantillons d’eau, de déterminer les type d’organismes vivant dans la station d’épuration et d’évaluer la taille de leur population, les activités de leurs gènes et leur métabolisme. Nous ne sommes donc plus obligés d’analyser les différentes populations bactéries, individuellement, en culture pure », poursuit Émilie Muller. « Sur cette base, nous pouvons représenter avec précision les flux de matières dans l’écosystème de la station d’épuration et décrire, par exemple, quelle espèce bactérienne exploite quelle substance dans quel volume. »

Émilie Muller ne se contente toutefois pas d’une simple représentation de l’écologie des stations d’épuration : « Nous voulons comprendre quels sont les facteurs qui déterminent la composition en espèces de la communauté microbienne et, ainsi, l’équilibre dans l’écosystème. » À cet égard, Émilie Muller focalise particulièrement son attention sur l’espèce bactérienne Microthrix parvicella, dont la séquence du génome a été décryptée pour la première fois par le groupe du LCSB il y a deux ans. Cette bactérie peut absorber et accumuler une quantité particulièrement importante de lipides. En hiver, jusqu’à 50 % de l’ensemble des bactéries présentes à la surface des bassins d’épuration appartiennent à cette espèce. Émilie Muller : « C’est étonnant dans la mesure où, en hiver, la part de lipides dans les eaux traitées est plutôt faible, ce qui veut dire que la Microthrix est confrontée à des conditions de vie défavorables. »

Dans le cadre de leurs recherches, Émilie Muller et ses collègues ont ensuite découvert que la bactérie Microthrix possédait 28 exemplaires d’un gène déterminant dans l’absorption des lipides : « Néanmoins, il n’y a toujours que quelques-uns de ces gènes homologues qui sont actifs au même moment », explique Émilie Muller, « et c’est cette forme d’adaptation qui explique les bons résultats écologiques de Microthrix. »

Paul Wilmes nous explique ce dernier point : « La bactérie Microthrix est ce qu’on appelle, dans le domaine de l’écologie, un “généraliste”. L’organisme peut s’adapter à des habitats très variables et donc dominer l’écosystème du bassin d’épuration, où les conditions de vie fluctuent rapidement. » Les 28 gènes responsables de l’absorption des lipides jouent un rôle important à cet égard, précise Paul Wilmes : « Aucun exemplaire du gène n’est parfaitement identique à un autre. Si les conditions de vie évoluent, par exemple si la température chute ou si la composition des lipides change, c’est un autre exemplaire de ce gène, parfaitement adapté à ces nouvelles conditions, qui intervient. Cela permet à Microthrix de survivre malgré les variations de conditions environnementales. » L’objectif de Paul Wilmes : accroître encore la performance de Microthrix de sorte à lui permettre de prélever un maximum de lipides des eaux traitées. « Les lipides accumulés dans les bactéries peuvent être utilisés comme source d’énergie renouvelable pour la production de biodiesel, par exemple. »

Pour le directeur du LCSB, le Professeur Dr Rudi Balling, l’étude des écosystèmes constitue une base fondamentale de la recherche médicale : « Paul Wilmes et son équipe ont réussi pour la première fois à mettre au jour des concepts fondamentaux de l’écologie à l’aide de données chiffrées complètes. C’est important en ce sens que les écosystèmes microbiens ont une influence déterminante sur notre santé, par exemple dans notre intestin et même sur la peau. Si ces équilibres fragiles se rompent, ils peuvent provoquer des maladies. Nous supposons que c’est aussi le cas pour des maladies neurodégénératives comme Parkinson. Les travaux de notre groupe sur les écosystèmes constituent une grande avancée qui nous permettra de mieux comprendre ces systèmes et d’exploiter ces connaissances ultérieurement dans le domaine médical. »

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Les analyses ont été essentiellement soutenues par les programmes ATTRACT et AFR du Fonds National de la Recherche (FNR). Elles ont par ailleurs bénéficié du soutien financier de l’Integrated Biobank of Luxembourg (IBBL), à partir de fonds du ministère luxembourgeois de l’Enseignement supérieur et de la Recherche.

© LCSB, Université du Luxembourg