Les façons étonnamment ingénieuses dont les bactéries se développent dans l’intestin humain

Le microbiome intestinal est si utile à la digestion et à la santé humaine qu’il est souvent appelé organe extra-digestif. Cette vaste collection de bactéries et d’autres micro-organismes présents dans l’intestin nous aide à décomposer les aliments et à produire des nutriments ou d’autres métabolites qui ont un impact sur la santé humaine de multiples façons.

De nouvelles recherches de l’Université de Chicago montrent que certains groupes de ces assistants microbiens sont également incroyablement ingénieux, avec un vaste répertoire de gènes qui les aident à générer de l’énergie pour eux-mêmes et potentiellement également à influencer la santé humaine.

L'article, publié le 4 janvier 2024 dans Microbiologie naturelleont identifié 22 métabolites que trois familles éloignées de bactéries intestinales utilisent comme alternatives à l'oxygène pour la respiration dans l'environnement anaérobie de l'intestin.

Ces bactéries possèdent également jusqu’à des centaines de copies de gènes permettant de produire les enzymes qui traitent ces métabolites alternatifs, soit bien plus que ce qui a été mesuré chez les bactéries vivant en dehors de l’intestin. Ces résultats suggèrent que les bactéries anaérobies intestinales pourraient également avoir la capacité de produire de l’énergie à partir de centaines d’autres composés.

“Ce sont des exemples de certains métabolismes particuliers qui agissent sur tous ces différents métabolites produits par le microbiome intestinal”, a déclaré Sam Light, Ph.D., professeur adjoint de microbiologie de la famille Neubauer à UChicago et auteur principal de l'étude.

“C'est intéressant car l'un des principaux impacts du microbiome sur notre santé est de fabriquer ou de modifier ces petites molécules qui peuvent ensuite pénétrer dans notre circulation sanguine et agir comme des médicaments.”

Au niveau de l’organisme, nous considérons généralement la respiration comme le processus d’inhalation d’oxygène. Au niveau cellulaire, la respiration décrit un processus biochimique générateur d'énergie. La plupart des cellules utilisent l’oxygène pour respirer, mais dans les environnements anaérobies comme l’intérieur de l’intestin, les cellules ont évolué pour utiliser d’autres molécules.

Les cellules possèdent deux principaux types de métabolisme pour produire de l’énergie : la fermentation et la respiration. Lors de la fermentation, la cellule décompose les molécules pour générer directement de l’énergie.

La respiration implique deux molécules : un donneur d'électrons et un accepteur d'électrons. Un exemple classique de ce processus utilise le glucose comme donneur et l’oxygène comme accepteur. Les cellules décomposent le glucose en faisant passer les électrons extraits à travers une série d’étapes avant leur transfert final vers une molécule d’oxygène. Cela incite la cellule à générer de l’ATP, ou adénosine triphosphate : la source d’énergie de base à utiliser et à stocker au niveau cellulaire.

La plupart des microbes vivant dans l’intestin utilisent la fermentation, mais il existe également plusieurs types connus de bactéries ayant un métabolisme respiratoire, notamment celles qui utilisent des accepteurs d’électrons de dioxyde de carbone et de sulfate.

Pour la nouvelle étude, Light et ses collègues ont analysé une base de données de plus de 1 500 génomes provenant d’une base de données de bactéries intestinales humaines. Ils ont observé une distribution surprenante de gènes produisant des réductases, des enzymes utilisant différents accepteurs d’électrons respiratoires. Alors que la plupart des génomes ne codent que quelques réductases, un petit sous-ensemble en code plus de 30 différentes.

Ces bactéries n’étaient pas étroitement liées ; ils provenaient de trois familles distinctes et éloignées (Burkholderiaceae, Eggerthellaceae et Erysipelotrichaceae) séparées par des centaines de millions d'années d'histoire évolutive.

Ces bactéries semblent plus ingénieuses que les bactéries dont le métabolisme respiratoire vit en dehors d’un organisme hôte, qui utilisent principalement des composés inorganiques. Les bactéries respiratoires intestinales identifiées par Light et son équipe se spécialisent dans divers métabolites organiques, ce qui est logique étant donné l’approvisionnement constant en nourriture.

“Il y a tellement de matière organique dans l'intestin qui provient de la nourriture que nous mangeons. Elle est chimiquement complexe et il faut plus d'enzymes pour l'adapter à cet environnement”, a déclaré Light. “Nous pensons que cette variété de gènes permet aux bactéries intestinales d'utiliser de nombreuses choses différentes qui se présentent à elles.”

Certains des métabolites qu’ils utilisent ont également des implications intéressantes pour la santé humaine au niveau de l’intestin. Les personnes atteintes de diabète de type 2, par exemple, ont des taux plus élevés d’un sous-produit d’acide aminé appelé propionate d’imidazole dans leur sang. Un autre métabolite, le resvératrol, a un impact sur plusieurs processus métaboliques et immunitaires, et l'itaconate est produit par les macrophages en réponse aux infections.

Light espère que davantage de recherches comme celle-ci nous aideront à comprendre la fonction de différents microbes dans l’intestin, qui pourront à leur tour être exploitées pour améliorer la santé.

“J'espère que notre compréhension de ces différents métabolismes et de leur fonctionnement nous permettra de proposer des stratégies d'intervention, soit par l'alimentation, soit par la pharmacologie, pour moduler le flux de métabolites à travers ces différentes voies”, a-t-il déclaré. “Ainsi, quel que soit le contexte, comme le diabète de type 2 ou suite à une infection, nous pourrions contrôler quels métabolites sont produits pour avoir un bénéfice thérapeutique.”