Consortium microbien - Microbial consortium
Un consortium microbien ou communauté microbienne est constitué de deux ou plusieurs groupes bactériens ou microbiens vivant en symbiose . Les consortiums peuvent être endosymbiotiques ou ectosymbiotiques , ou parfois les deux. Le protiste Mixotricha paradoxa , lui-même un endosymbiote du termite Mastotermes darwiniensis , se trouve toujours sous la forme d'un consortium d'au moins un coccus endosymbiotique , de multiples espèces ectosymbiotiques de bactéries flagellées ou ciliées , et d'au moins une espèce de bactérie Treponema hélicoïdale qui constitue la base de Locomotion des protistes Mixotricha .
Le concept de consortium a été introduit pour la première fois par Johannes Reinke en 1872, et en 1877, le terme de symbiose a été introduit et développé plus tard. Les preuves d'une symbiose entre les microbes suggèrent fortement qu'elle a été un précurseur nécessaire de l'évolution des plantes terrestres et de leur transition des communautés d'algues de la mer vers la terre.
Aperçu
sur les racines d' Arabidopsis thaliana
a) Vue d'ensemble d'une racine d' A. thaliana (racine primaire) avec de nombreux poils absorbants. b) Bactéries formant un biofilm . c) Fungal ou oomycètes hyphes entourant la surface de la racine. d) Racine primaire densément couverte de spores et de protistes . e, f) Protistes , appartenant très probablement à la classe des Bacillariophyceae . g) Bactéries et filaments bactériens . h, i) Différents individus bactériens présentant de grandes variétés de formes et de caractéristiques morphologiques.
Les microbes ont un potentiel d'application prometteur pour augmenter l'efficacité des bioprocédés lorsqu'ils traitent des substances résistantes à la décomposition. Un grand nombre de micro-organismes ont été isolés sur la base de leur capacité à dégrader les matériaux récalcitrants tels que la lignocellulose et les polyuréthanes. Dans de nombreux cas d'efficacité de dégradation, les consortiums microbiens se sont avérés supérieurs par rapport aux souches individuelles. Par exemple, de nouveaux consortiums thermophiles de Brevibacillus spp. et Aneurinibacillus sp. ont été isolés de l'environnement pour améliorer la dégradation des polymères.
Deux approches existent pour obtenir des consortiums microbiens impliquant soit (i) un assemblage synthétique à partir de zéro en combinant plusieurs souches isolées, soit (ii) l'obtention de communautés microbiennes complexes à partir d'échantillons environnementaux. Pour ces derniers, le processus d'enrichissement est souvent utilisé pour obtenir les consortiums microbiens souhaités. Par exemple, un consortium dérivé de l'intestin des termites présentant une activité xylanase élevée a été enrichi sur de la paille de blé brute comme seule source de carbone, capable de transformer la lignocellulose en carboxylates dans des conditions anaérobies.
Des niveaux de diversité relativement élevés sont encore observés malgré l'utilisation d'étapes d'enrichissement lorsque l'on travaille à partir d'échantillons environnementaux, probablement en raison de la redondance fonctionnelle élevée observée dans les communautés microbiennes environnementales, étant un atout clé de leur stabilité fonctionnelle. Cette diversité intrinsèque peut constituer un goulot d'étranglement dans les tentatives d'aller de l'avant vers une application pratique en raison (i) d'une corrélation négative potentielle avec l'efficacité, (ii) de vrais tricheurs microbiens dont la présence n'a pas d'impact sur la dégradation, (iii) des menaces pour la sécurité posées par la présence d'agents pathogènes connus ou inconnus, et (iv) les risques de perdre les propriétés d'intérêt si elles sont soutenues par des taxons rares.
L'utilisation de consortiums microbiens avec moins de complexité, mais une efficacité égale, peut conduire à des processus industriels plus contrôlés et optimisés. Par exemple, une grande partie des gènes fonctionnels ont été remarquablement modifiés et l'efficacité de la biodégradation du diesel a été augmentée en réduisant la biodiversité d'une communauté microbienne des sols contaminés par le diesel. Par conséquent, il est crucial de trouver des stratégies fiables pour réduire la diversité vers des consortiums microbiens optimisés obtenus à partir d'échantillons environnementaux. Une approche de criblage réducteur a été appliquée pour construire des consortiums microbiens minimaux efficaces pour la dégradation de la lignocellulose sur la base de différents groupes fonctionnels métaboliques. De plus, des approches de sélection artificielle (dilution, toxicité et chaleur) ont également été utilisées pour obtenir des consortiums bactériens. Parmi eux, la dilution à extinction a déjà prouvé son efficacité pour l'obtention de consortiums microbiens fonctionnels à partir d'eau de mer et de liqueur de rumen. La dilution jusqu'à l'extinction devrait offrir plus d'avantages par rapport à l'isolement et à l'assemblage conventionnels car elle (i) génère de nombreuses combinaisons microbiennes prêtes à être criblées, (ii) comprend des souches du pool microbien initial qui pourraient être perdues en raison de la culture/l'isolement biais, et (iii) s'assure que tous les microbes sont physiquement présents et interagissent spontanément.
Exemples
Rhizosphère
Bien que diverses études aient montré que des micro-organismes isolés peuvent exercer des effets bénéfiques sur les plantes, il est de plus en plus évident que lorsqu'un consortium microbien - deux ou plusieurs micro-organismes en interaction - est impliqué, des résultats additifs ou synergiques peuvent être attendus. Cela est dû en partie au fait que plusieurs espèces peuvent effectuer diverses tâches dans un écosystème comme la rhizosphère des racines des plantes . Les mécanismes bénéfiques de stimulation de la croissance des plantes comprennent une disponibilité accrue des nutriments, une modulation des phytohormones , un contrôle biologique , une tolérance au stress biotique et abiotique ) exercés par différents acteurs microbiens de la rhizosphère, tels que les bactéries favorisant la croissance des plantes (PGPB) et les champignons tels que Trichoderma et Mycorhizae .
Le diagramme de droite montre que les micro-organismes de la rhizosphère tels que les bactéries favorisant la croissance des plantes (PGPB), les champignons mycorhiziens à arbuscules (AMF) et les champignons du genre Trichoderma spp. peut établir des interactions bénéfiques avec les plantes, favorisant la croissance et le développement des plantes, augmentant le système de défense des plantes contre les agents pathogènes, favorisant l'absorption des nutriments et améliorant la tolérance aux différents stress environnementaux. Les micro - organismes rhizosphère peuvent influencer mutuellement, et les consortiums résultant de PGPB + PGPB (par exemple, une bactérie fixatrice d' azote tels que Rhizobium spp. Et Pseudomonas fluorescens ), Autorité des marchés financiers + PGPB et Trichoderma + PGPB peuvent avoir des effets synergiques sur la croissance des plantes et de remise en forme , offrant à la plante des avantages accrus pour surmonter le stress biotique et abiotique. Les flèches en pointillés indiquent des interactions bénéfiques entre l'AMF et Trichoderma.
Dégradation de la kératine
La capacité des microbes à dégrader les matériaux récalcitrants a été largement explorée pour l'assainissement de l'environnement et la production industrielle. Des progrès significatifs ont été réalisés avec des souches uniques, mais l'accent est désormais mis sur l'utilisation de consortiums microbiens possédant leur stabilité fonctionnelle et leur efficacité. Cependant, l'assemblage de consortiums microbiens simplifiés (SMC) à partir de communautés environnementales complexes est encore loin d'être trivial en raison de la grande diversité et de l'effet des interactions biotiques .
Les kératines sont des matériaux fibreux récalcitrants avec des composants réticulés , représentant les protéines les plus abondantes dans les cellules épithéliales . On estime qu'ils ont une valeur économique considérable après biodégradation . Un consortium microbien kératinolytique efficace (KMCG6) a été précédemment enrichi à partir d'un échantillon environnemental par culture en milieu kératinique. Malgré la réduction de la diversité microbienne au cours du processus d'enrichissement, KMCG6 comprenait encore plusieurs OTU dispersées parmi sept genres bactériens.
En 2020, Kang et al., utilisant une stratégie basée sur des cultures d' enrichissement et de dilution jusqu'à extinction, ont extrait de ce consortium original (KMCG6) un consortium microbien simplifié (SMC) avec moins d'espèces mais une activité kératinolytique similaire. Des dilutions en série ont été réalisées sur un consortium microbien kératinolytique pré-enrichi à partir d'un échantillon de sol. Un régime de dilution approprié (10 9 ) a été sélectionné pour construire une bibliothèque de SMC à partir du consortium microbien enrichi. D'autres analyses de séquençage et des tests d' activité kératinolytique ont démontré que les SMC obtenus présentaient une diversité microbienne réelle réduite, ainsi que diverses compositions taxonomiques et capacités de biodégradation. Plus important encore, plusieurs SMC possédaient des niveaux équivalents d'efficacité kératinolytique par rapport au consortium initial, montrant que la simplification peut être réalisée sans perte de fonction et d'efficacité.
Comme le montre le diagramme de droite, le flux de travail de cette étude comprenait quatre étapes : (1) Enrichissement pour les traits souhaités, par exemple l'activité kératinolytique par sélection dans un milieu de kératine, où la kératine est la seule source de carbone. Ce processus a été évalué par des évaluations fonctionnelles (densité cellulaire, activité des enzymes et rapport du substrat résiduel) et une analyse de composition. (2) Des dilutions en série ont été effectuées sur les consortiums microbiens efficaces enrichis. Six dilutions ont été préparées, de la dilution 10 2 à 10 10 avec 24 réplicats. La dissemblance entre les dilutions a été évaluée par calcul de distance euclidienne sur la base de critères d'évaluation fonctionnelle. (3) La construction de la bibliothèque a été effectuée à partir de la dilution offrant la dissemblance optimale entre les réplicats. La dilution 10 9 a été choisie pour construire la bibliothèque SMC dans ce cas. (4) La sélection des SMC les plus prometteurs est basée sur une caractérisation fonctionnelle et compositionnelle.
Santé humaine
Les consortiums se trouvent couramment chez l'homme, les exemples prédominants étant le consortium cutané et le consortium intestinal qui offrent une protection et une aide à la nutrition humaine. De plus, des bactéries ont été identifiées comme existant dans le cerveau (auparavant considérées comme stériles), avec des preuves métagénomiques suggérant que les espèces trouvées pourraient être d'origine entérique. Comme les espèces trouvées semblent être bien établies, n'ont aucun impact perceptible sur la santé humaine et sont des espèces connues pour former des consortiums lorsqu'elles sont trouvées dans l'intestin, il est fort probable qu'elles aient également formé un consortium symbiotique dans le cerveau.
Consortiums microbiens synthétiques
Les consortiums microbiens synthétiques (communément appelés co-cultures) sont des systèmes multi-populations qui peuvent contenir un large éventail d'espèces microbiennes et sont ajustables pour servir une variété d'intérêts industriels et écologiques. Pour la biologie synthétique , les consortiums prennent la capacité de concevoir de nouveaux comportements cellulaires au niveau de la population. Les consortiums sont plus courants qu'autrement dans la nature et s'avèrent généralement plus robustes que les monocultures. Un peu plus de 7 000 espèces de bactéries ont été cultivées et identifiées à ce jour. Bon nombre des 1,2 million d'espèces bactériennes estimées qui restent n'ont pas encore été cultivées et identifiées, en partie en raison de l'incapacité d'être cultivées de manière axénique . Lors de la conception de consortiums synthétiques ou de l'édition de consortiums naturels, les biologistes synthétiques gardent une trace du pH, de la température, des profils métaboliques initiaux, des temps d'incubation, du taux de croissance et d'autres variables pertinentes.
Voir également
- Biofilm
- Intelligence microbienne
- Boucle microbienne
- Tapis microbien
- Biologie des populations microbiennes
- Consortiums microbiens synthétiques
- Coopération microbienne
Remarques
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