Les ingénieurs biomédicaux de Duke découvrent la recette du succès de l'ADN bactérien

Les chercheurs espèrent que leur nouveau modèle permettra à d’autres de mieux modéliser et prédire comment des caractéristiques importantes telles que la résistance aux antibiotiques chez les agents pathogènes ou les capacités métaboliques des bactéries élevées pour nettoyer la pollution environnementale se propageront et se développeront dans un environnement donné.

Les résultats paraissent en ligne le 4 novembre dans la revue Nature Communications.

Les ingénieurs biomédicaux de l'Université Duke ont développé une nouvelle façon de modéliser la manière dont des paquets d'ADN potentiellement bénéfiques, appelés plasmides, peuvent circuler et s'accumuler dans un environnement complexe comprenant de nombreuses espèces bactériennes. Les travaux ont également permis à l’équipe de développer un nouveau facteur appelé « potentiel de persistance » qui, une fois mesuré et calculé, peut prédire si un plasmide continuera ou non à prospérer dans une population donnée ou s’il sombrera progressivement dans l’oubli.

Les chercheurs espèrent que leur nouveau modèle permettra à d’autres de mieux modéliser et prédire comment des caractéristiques importantes telles que la résistance aux antibiotiques chez les agents pathogènes ou les capacités métaboliques des bactéries élevées pour nettoyer la pollution environnementale se propageront et se développeront dans un environnement donné.

Les résultats paraissent en ligne le 4 novembre dans la revue Nature Communications.

En plus du processus darwinien de transmission des gènes importants pour la survie des parents à la progéniture, les bactéries s'engagent également dans un processus appelé transfert horizontal de gènes. Les bactéries partagent constamment des recettes génétiques pour de nouvelles capacités entre espèces en échangeant entre elles différents paquets de matériel génétique appelés plasmides.

"Lors d'un examen d'une seule bouteille d'eau de mer, il y avait 160 espèces bactériennes échangeant 180 plasmides différents", a déclaré Lingchong You, professeur de génie biomédical à Duke. « Même dans une seule bouteille d’eau, l’utilisation des méthodes actuelles pour modéliser la mobilité des plasmides dépasserait de loin la puissance de calcul collective du monde entier. Nous avons développé un système qui simplifie le modèle tout en conservant sa capacité à prédire avec précision les résultats éventuels.

Le potentiel de l’un quelconque de ces paquets génétiques à devenir commun dans une population ou un environnement donné est cependant loin d’être certain. Cela dépend d’un large éventail de variables, telles que la rapidité avec laquelle les packages sont partagés, la durée de survie des bactéries, les avantages du nouvel ADN, les compromis possibles pour ces avantages et bien plus encore.

Être capable de prédire le sort d’un tel ensemble génétique pourrait aider dans de nombreux domaines, notamment celui de la propagation de la résistance aux antibiotiques et des moyens de la combattre. Mais les modèles requis pour y parvenir dans un scénario réaliste sont trop compliqués à résoudre.

"Le système le plus complexe que nous ayons jamais pu modéliser mathématiquement est constitué de trois espèces de bactéries partageant trois plasmides", a déclaré You. "Et même dans ce cas, nous avons dû utiliser un programme informatique uniquement pour générer les équations, sinon nous serions trop confus quant au nombre de termes nécessaires."

Dans la nouvelle étude, You et son étudiant diplômé, Teng Wang, ont créé un nouveau cadre qui réduit considérablement la complexité du modèle à mesure que davantage d’espèces et de plasmides sont ajoutés. Dans l’approche traditionnelle, chaque population est divisée en plusieurs sous-populations en fonction des plasmides qu’elles transportent. Mais dans le nouveau système, ces sous-populations sont plutôt regroupées en une seule. Cela réduit considérablement le nombre de variables, qui augmente de façon linéaire à mesure que de nouvelles bactéries et plasmides sont ajoutés plutôt que de façon exponentielle.

Cette nouvelle approche a permis aux chercheurs de dériver un seul critère déterminant permettant de prédire si un plasmide persistera ou non dans une population donnée. Il est basé sur cinq variables importantes : le coût pour les bactéries d'avoir le nouvel ADN, la fréquence à laquelle l'ADN est perdu, la rapidité avec laquelle la population est diluée par le flux à travers la population, la rapidité avec laquelle l'ADN est échangé entre les bactéries et la rapidité avec laquelle la population dans son ensemble augmente.

Avec les mesures de ces variables en main, les chercheurs peuvent calculer la « persistance des plasmides » de la population. Si ce nombre est supérieur à un, le patrimoine génétique survivra et se propagera, un nombre plus élevé conduisant à une plus grande abondance. S’il y en a moins d’un, il disparaîtra dans l’oubli.

"Même si le modèle est simplifié, nous avons constaté qu'il est raisonnablement précis sous certaines contraintes", a déclaré Wang. "Tant que le nouvel ADN n'impose pas un fardeau trop lourd aux bactéries, notre nouveau cadre réussira."

Wang et vous avez testé leur nouvelle approche de modélisation en concevant une poignée de communautés synthétiques différentes, chacune avec des souches de bactéries différentes et des paquets génétiques à échanger. Après avoir mené les expériences, ils ont constaté que les résultats correspondaient assez bien aux attentes de leur cadre théorique. Et pour aller plus loin, les chercheurs ont également pris les données de 13 articles publiés précédemment et ont également analysé leurs chiffres. Ces résultats ont également soutenu leur nouveau modèle.

"Le critère de persistance des plasmides nous donne l'espoir de l'utiliser pour guider de nouvelles applications", a déclaré You. « Cela pourrait aider les chercheurs à concevoir un microbiome en contrôlant le flux génétique pour atteindre une certaine fonction. Ou encore, cela peut nous donner des indications sur les facteurs que nous pouvons contrôler pour éliminer ou supprimer certains plasmides des populations bactériennes, tels que ceux responsables de la résistance aux antibiotiques.

Cette recherche a été soutenue par les National Institutes of Health (R01A1125604, R01GM110494) et la Fondation David et Lucile Packard.

CITATION : « Le potentiel de persistance des plasmides transférables », Teng Wang & Lingchong You. Nature Communications, 9 novembre 2020. DOI : 10.1038/s41467-020-19368-7

(C) Université Duke 

Source originale de l’article : WRAL TechWire