Synergie et adaptation de l'oxygène pour le développement du prochain

Nature (2023)Citer cet article

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Le microbiote intestinal humain suscite de plus en plus d’intérêt en tant que facteur environnemental susceptible de contribuer à la santé ou à la maladie1. Le développement de probiotiques de nouvelle génération constitue une stratégie prometteuse pour moduler le microbiote intestinal et améliorer la santé humaine ; cependant, plusieurs probiotiques clés de nouvelle génération sont strictement anaérobies2 et peuvent nécessiter une synergie avec d’autres bactéries pour une croissance optimale. Faecalibacterium prausnitzii est une bactérie intestinale humaine très répandue et abondante associée à la santé humaine, mais elle n’a pas encore été développée en formulations probiotiques2. Nous décrivons ici le co-isolement de F. prausnitzii et de Desulfovibrio piger, une bactérie sulfato-réductrice, ainsi que leur alimentation croisée pour la croissance et la production de butyrate. Pour produire une formulation probiotique de nouvelle génération, nous avons adapté F. prausnitzii pour tolérer l'exposition à l'oxygène et, dans des études de validation de principe, nous démontrons que le produit symbiotique est toléré par les souris et les humains (identifiant ClinicalTrials.gov : NCT03728868) et est détecté dans l’intestin humain chez un sous-ensemble de participants à l’étude. Notre étude décrit une technologie de production de probiotiques de nouvelle génération basée sur l’adaptation de bactéries strictement anaérobies pour tolérer des expositions à l’oxygène sans réduction de leurs propriétés bénéfiques potentielles. Notre technologie pourrait être utilisée pour le développement d’autres souches strictement anaérobies comme probiotiques de nouvelle génération.

Le microbiote intestinal humain adulte est constitué d’au moins autant de cellules bactériennes que notre nombre total de cellules somatiques et germinales3 et leurs génomes collectifs (microbiome) contiennent plus de 500 fois plus de gènes que notre génome humain4. La métagénomique comparative a révélé que, comparé au microbiome des patients atteints de diabète de type 25,6,7, d'hyperlipidémie8 et de maladie inflammatoire de l'intestin9,10, un microbiome sain est fréquemment associé à une diversité microbienne accrue et à une abondance accrue de bactéries productrices de butyrate, comme Faecalibacterium prausnitzii. En particulier, F. prausnitzii est une espèce clé dont l’abondance varie en fonction de l’âge et du mode de vie, et qui est relativement appauvrie dans le microbiote intestinal des personnes vivant dans le monde occidental11.

Les micro-organismes intestinaux humains n’agissent pas de manière isolée mais forment des interactions écologiques complexes importantes pour l’homéostasie intestinale. Un attribut clé du microbiote intestinal est la fermentation des glucides en acides gras à chaîne courte (AGCC), dont le butyrate, qui est associé à plusieurs avantages pour l'hôte12. La fermentation est le principal processus de génération d’énergie utilisé par les micro-organismes intestinaux, et l’élimination des sous-produits de fermentation tels que le lactate et l’hydrogène est essentielle au maintien des processus de fermentation13. En conséquence, les capteurs d’hydrogène tels que les méthanogènes et les bactéries sulfato-réductrices sont importants pour l’établissement des réseaux métaboliques intestinaux14.

Nous rapportons ici l'isolement d'une nouvelle souche de F. prausnitzii en co-culture avec une nouvelle souche du réducteur de sulfate Desulfovibrio piger. Nous décrivons le développement d'une technologie pour la production de F. prausnitzii comme probiotique de nouvelle génération et évaluons sa sécurité pour la consommation humaine.

Pour préserver les interactions micro-organismes et isoler les bactéries capables de servir de puits d'électrons et d'éliminer le lactate, nous avons étalé les matières fécales d'un individu sain directement sur des plaques de gélose du milieu de Postgate (PGM) dans des conditions anaérobies (méthodes). Dans ces conditions, nous avons isolé une souche de F. prausnitzii (DSM32186) qui s'est développée en PGM en co-culture avec une souche de D. piger (DSM 32187) (Fig. 1a, b). D. piger sont des bacilles à Gram négatif anaérobies obligatoires, non fermentants15 et des réducteurs de sulfate répandus dans l'intestin humain16, ne se produisent pas de manière isolée en dehors de l'intestin et sont donc considérés comme des commensaux spécifiques de l'intestin17.

a, Co-culture de F. prausnitzii DSM 32186 et D. piger DSM 32187 sur plaques PGM sans supplémentation en glucose ou en acétate. b, coloration de Gram des colonies issues de l'isolement de F. prausnitzii DSM 32186 et D. piger DSM 32187. Les flèches indiquent F. prausnitzii (longs bâtonnets fusiformes) (1) et D. piger (bâtonnets courts) (2). Barre d'échelle, 10 μm. c, Dendrogramme illustrant la relation entre D. piger DSM 32187 et les génomes associés. d, Dendrogramme illustrant la relation entre F. prausnitzii DSM 32186 et les génomes associés. e, Le nombre d'unités formant colonie de F. prausnitzii DSM 32186 en monoculture et en co-culture avec D. piger DSM 32187 en conditions anaérobies dans du mPGM (PGM contenant 25 mM de glucose) pendant 24 h. P = 0,0003. f, profils métaboliques de F. prausnitzii DSM 32186 et D. piger DSM 32187 cultivés en monocultures ou en co-culture dans des conditions anaérobies dans un milieu mPGM pendant 24 h. Glucose : P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000038 (F. prausnitzii + D. piger versus F. prausnitzii) ; lactate : P = 0,0000001 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000005 (F. prausnitzii versus D. piger), P = 0,00014 (F. prausnitzii + D. piger versus F. prausnitzii) ; acétate : P = 0,0000004 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000003 (F. prausnitzii versus D. piger) ; butyrate : P = 0,000001 (F. prausnitzii + D. piger versus D. piger), P = 0,0000031 (F. prausnitzii + D. piger versus F. prausnitzii). « Changement mM » sur l'axe y indique la différence de concentration par rapport au milieu inoculé au départ. g, Schéma de l'alimentation croisée suggérée entre F. prausnitzii et D. piger en co-culture dans mPGM. n = 3 expériences indépendantes, ***P < 0,001 déterminé par test t bilatéral (e) ou ANOVA unidirectionnelle (f). Les données sont moyennes ± sem.