La recherche révèle que les agents pathogènes des plantes réutilisent les éléments des phages pour la guerre bactérienne

Les bactériophages, virus qui attaquent et détruisent les bactéries, sont présents partout dans la nature où ils jouent un rôle essentiel dans la régulation des populations microbiennes d'une manière qui n'est pas encore bien comprise.

De nouvelles recherches menées par l'Université de l'Utah et l'University College London (UCL) ont révélé que les bactéries pathogènes des plantes sont capables de réutiliser des éléments de leurs propres bactériophages, ou phages, pour éliminer les microbes concurrents.

Ces découvertes surprenantes suggèrent que ces éléments dérivés des phages pourraient un jour être exploités comme alternative aux antibiotiques, selon Talia Karasov, professeur adjoint à l'École des sciences biologiques de l'Université. Intitulée « Une bactériocine de type queue de phage supprime les concurrents dans les métapopulations de bactéries pathogènes », l'étude a été publiée dans Science.

Ce résultat n’était pas ce à quoi elle s’attendait lorsqu’elle s’est lancée dans cette recherche avec une équipe internationale de scientifiques.

Les agents pathogènes microbiens sont omniprésents, mais ils ne rendent malades qu'une fraction du temps les humains, d'autres animaux ou les plantes, selon Karasov, dont le principal intérêt de recherche porte sur les interactions entre les plantes et les agents pathogènes microbiens. Le laboratoire Karasov cherche à comprendre les facteurs qui conduisent aux maladies et aux épidémies plutôt que de contrôler les agents pathogènes.

Pour ses recherches antérieures, le laboratoire a examiné comment un agent pathogène bactérien particulier, Pseudomonas viridiflava, se manifeste dans les milieux agricoles et sauvages. Sur les terres cultivées, ont-ils découvert, une variante se propagerait largement dans un champ de culture et deviendrait le microbe dominant présent. Mais ce n’était pas le cas sur les terres incultes, ce qui a incité Karasov à découvrir pourquoi.

“Nous constatons qu'aucune lignée de bactéries ne peut dominer. Nous nous sommes demandés si les phages, les agents pathogènes de nos bactéries pathogènes, pouvaient empêcher la propagation de lignées uniques – peut-être que les phages tuaient certaines souches et pas d'autres. C'est là que notre étude a commencé, mais c'est pas où cela a abouti”, a déclaré Karasov.

“Nous avons examiné le génome des bactéries pathogènes végétales pour voir quels phages les infectaient. Mais ce n'est pas le phage que nous avons trouvé qui était intéressant. Les bactéries avaient pris un phage et l'avaient réutilisé pour combattre d'autres bactéries, l'utilisant maintenant pour tuer les bactéries concurrentes.

Selon son étude, l’agent pathogène acquiert des éléments des phages sous la forme d’amas non auto-réplicatifs de phages réutilisés appelés tailocines, qui pénètrent dans les membranes externes d’autres agents pathogènes et les tuent.

Après avoir découvert cette guerre en cours dans les populations bactériennes d'agents pathogènes, le laboratoire Karasov et le laboratoire de Hernán Burbano à l'UCL ont extrait les génomes d'agents pathogènes modernes et historiques pour déterminer comment les bactéries évoluent pour se cibler les unes les autres.

“Vous pouvez imaginer une course aux armements entre les bactéries où elles essaient de s'entre-tuer et tentent de développer une résistance les unes aux autres au fil du temps”, a déclaré Burbano. “Les échantillons d'herbier des 200 dernières années que nous avons analysés ont ouvert une fenêtre sur cette course aux armements, donnant un aperçu de la manière dont les bactéries échappent à la destruction par leurs concurrents.”

Extraction de spécimens d’herbier pour leur ADN microbien

Burbano a été le pionnier de l'utilisation de spécimens d'herbier pour explorer l'évolution des plantes et de leurs agents pathogènes microbiens. Son laboratoire séquence les génomes des plantes hôtes et ceux des microbes associés à la plante au moment de la collecte il y a plus d'un siècle.

Pour la recherche sur les phages, Burbano a analysé des spécimens historiques d'Arabidopsis thaliana, une plante de la famille de la moutarde communément appelée thale cress, collectée dans le sud-ouest de l'Allemagne, en les comparant ainsi que les microbes qu'ils hébergeaient aux plantes poussant aujourd'hui dans la même partie de l'Allemagne.

“Nous avons découvert que toutes les tailocines historiques étaient présentes dans notre ensemble de données actuel, ce qui suggère que l'évolution a maintenu la diversité des variantes de tailocines à l'échelle d'un siècle”, a-t-il déclaré. “Cela indique probablement un ensemble fini de mécanismes possibles de résistance/sensibilité au sein de notre population bactérienne étudiée.

L'auteur principal, Talia Backman, se demande si les tailocines pourraient aider à résoudre la crise imminente de la résistance aux antibiotiques observée chez les bactéries nocives qui infectent les humains.

“En tant que société, nous avons cruellement besoin de nouveaux antibiotiques, et les tailocines ont un potentiel en tant que nouveaux traitements antimicrobiens”, a déclaré Backman, étudiant diplômé du laboratoire Karasov.

“Bien que les tailocines aient déjà été trouvées dans d'autres génomes bactériens et étudiées en laboratoire, leur impact et leur évolution dans les populations bactériennes sauvages n'étaient pas connus. Le fait que nous ayons découvert que ces agents pathogènes de plantes sauvages ont tous des tailocines et que ces tailocines évoluent tuer les bactéries voisines montre à quel point elles peuvent être importantes dans la nature. »

Comme la plupart des pesticides, bon nombre de nos antibiotiques ont été développés il y a plusieurs décennies pour tuer un large éventail d’organismes nuisibles, à la fois nocifs et bénéfiques pour la santé humaine et végétale. Les tailocines, en revanche, ont une plus grande spécificité que la plupart des antibiotiques modernes, tuant seulement quelques souches sélectionnées de bactéries, ce qui suggère qu'elles pourraient être déployées sans gaspiller des communautés biologiques entières.

“Il s'agit à ce stade d'une recherche fondamentale, qui n'est pas encore prête à être appliquée, mais je pense qu'il existe un bon potentiel pour qu'elle puisse être adaptée au traitement des infections”, a déclaré Karasov.

“En tant que société, nous avons utilisé, dans la façon dont nous traitons à la fois les parasites dans l'agriculture et les bactéries pathogènes chez l'homme, des traitements uniformes et à large spectre. La spécificité de la destruction de la tailocine est une manière que vous pourriez imaginer faire des traitements plus finement adaptés.”

L'University College de Londres, l'Institut Max Planck de biologie, le Complex Carbohydrate Research Center Analytical Services and Training Lab de l'Université de Géorgie, l'Université de New York, le Département de biochimie de l'Université de Géorgie et Lawrence ont participé à la recherche avec l'École des sciences biologiques de l'Université. Laboratoire national de Berkeley.