Le Microbiome Redéfini : Comprendre l'Écosystème Invisible qui Nous Entoure

Cet article est un décryptage et un résumé de la revue suivante : https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00875-0

Berg, G., Rybakova, D., Fischer, D. et al. Microbiome definition re-visited: old concepts and new challenges. Microbiome 8, 103 (2020). https://doi.org/10.1186/s40168-020-00875-0

Introduction

Imaginez un monde invisible, peuplé de milliards d'organismes microscopiques qui influencent notre santé, celle de nos plantes, et même l'équilibre de notre planète. Ce monde existe bel et bien : c'est celui des microbiomes. Mais que signifie exactement ce terme que l'on entend de plus en plus dans les médias et les discussions scientifiques ?

Une équipe internationale d'experts a récemment proposé une nouvelle définition du microbiome, fruit d'une réflexion collective impliquant plus d'une centaine de chercheurs du monde entier. Cette redéfinition, publiée dans la revue Microbiome, ne relève pas du simple exercice académique : elle répond à un besoin urgent de clarification dans un domaine en pleine expansion, où "nous manquons d'une définition claire et communément acceptée du terme 'microbiome'".

Un Voyage à Travers l'Histoire Microbienne

Des "Animalcules" aux Écosystèmes Complexes

L'histoire des microbiomes commence au XVIIe siècle avec Antonie van Leeuwenhoek et ses premiers microscopes.

Il étudia "diverses bactéries de formes variées, des champignons et des protozoaires, qu'il appelait animalcules, principalement à partir d'échantillons d'eau, de boue et de plaque dentaire, et découvrit les biofilms comme première indication de microorganismes interagissant au sein de communautés complexes".

Cette découverte d'un monde invisible a ouvert la voie à une succession de révolutions conceptuelles. Robert Koch, en expliquant l'origine des maladies humaines et animales par les infections microbiennes, a longtemps orienté la recherche vers une vision négative des microbes. "Ces découvertes ont déplacé l'attention de la communauté scientifique et du public sur le rôle des microorganismes comme agents pathogènes qu'il fallait éliminer".

Un Changement de Paradigme Fondamental

Pourtant, les recherches du siècle dernier ont révélé une réalité bien différente : "seule une petite proportion de microorganismes est associée à la maladie ou à la pathogénicité ; l'écrasante majorité des microbes est essentielle au fonctionnement des écosystèmes et connue pour ses interactions bénéfiques avec d'autres microbes ainsi qu'avec les macro-organismes".

Cette révolution conceptuelle a culminé avec l'émergence d'un paradigme fondamental :

"tous les eucaryotes sont des méta-organismes et doivent être considérés avec leur microbiote comme une unité fonctionnelle inséparable".

En d'autres termes, nous ne sommes jamais seuls : nous sommes des écosystèmes ambulants !

Microbiome vs Microbiote : Une Distinction Cruciale

La Confusion Actuelle

L'un des problèmes majeurs du domaine réside dans la confusion entre deux termes fondamentaux : microbiome et microbiote. Cette distinction n'est pas qu'une subtilité terminologique : elle reflète deux concepts complémentaires mais distincts.

Des Définitions Claires

Les experts proposent une distinction nette :

Le microbiote "comprend tous les membres vivants formant le microbiome", soit "l'assemblage de microorganismes présents dans un environnement défini". Il s'agit des acteurs : bactéries, archées, champignons, algues et petits protistes (une espèce de champignons eucaryotes).

Le microbiome, concept plus large, inclut non seulement ces organismes vivants, mais aussi "leur théâtre d'activité". Ce théâtre comprend "tout le spectre de molécules produites par les microorganismes, incluant leurs éléments structurels (acides nucléiques, protéines, lipides, polysaccharides), leurs métabolites (molécules de signalisation, toxines, molécules organiques et inorganiques), et les molécules produites par les hôtes coexistants et structurées par les conditions environnementales".

Une Définition Renouvelée

La nouvelle définition officielle proposée s'appuie sur les travaux pionniers de Whipps et ses collègues de 1988, actualisée pour intégrer les découvertes récentes :

"Le microbiome est défini comme une communauté microbienne caractéristique occupant un habitat raisonnablement bien défini qui possède des propriétés physico-chimiques distinctes. Le microbiome ne se réfère pas seulement aux microorganismes impliqués mais englobe aussi leur théâtre d'activité, ce qui résulte en la formation de niches écologiques spécifiques. Le microbiome, qui forme un micro-écosystème dynamique et interactif sujet aux changements dans le temps et l'espace, est intégré dans des macro-écosystèmes incluant des hôtes eucaryotes, et est ici crucial pour leur fonctionnement et leur santé".

L'Écosystème Microbien : Un Monde d'Interactions

Des Réseaux Complexes de Communication

Les microbes ne vivent pas en vase clos. "Les microbes interagissent les uns avec les autres, et ces interactions symbiotiques ont diverses conséquences sur la fitness microbienne, la dynamique des populations et les capacités fonctionnelles au sein du microbiome".

Ces interactions peuvent être "positives (mutualisme, synergisme, ou commensalisme), négatives (amensalisme [incluant prédation, parasitisme, antagonisme, ou compétition]), ou neutres - où il n'y a pas (ou pas d'effet observé) sur les capacités fonctionnelles ou l'adaptation des espèces en interaction".

Des Moyens de Communication Sophistiqués

Comment ces organismes microscopiques communiquent-ils ? Les mécanismes sont fascinants :

• Le quorum sensing : un système de communication utilisé par les bactéries grâce à de petites molécules (comme certaines substances chimiques ou des peptides). Cela leur permet de se coordonner entre elles et de s’adapter à leur environnement. Par exemple, elles peuvent ainsi décider ensemble de s’accrocher les unes aux autres ou de former des sortes de "tapis" appelés biofilms.
• Le transfert direct d'électrons entre espèces : "un mécanisme important pour la communication dans la plupart des écosystèmes anaérobies".
• Les composés volatils : qui "peuvent agir comme messagers à long terme pour la communication inter-règnes sur de longues distances".
• Les "autoroutes fongiques" : qui "servent de systèmes de transport pour les bactéries ainsi que pour l'eau et les nutriments et peuvent donc jouer un rôle important dans la structuration des réseaux microbiens".

La Dimension Spatio-Temporelle des Microbiomes

Une Dynamique Temporelle Fascinante

Les microbiomes ne sont pas statiques. "La dynamique temporelle au sein du microbiome peut être évaluée de l'échelle de secondes ou minutes, reflétant la durée de vie de l'ARN messager, à l'échelle de siècles et millénaires, pendant lesquels les microorganismes ont co-évolué avec leur hôte ou dans un environnement particulier".

Cette variabilité temporelle distingue deux composantes essentielles :

• Le microbiote transitoire qui "change au fil du temps, selon les conditions environnementales, la disponibilité de la nutrition, et/ou l'étape de croissance et de santé ou même les rythmes diurnes des hôtes"
• Le microbiote "central" qui "semble rester relativement constant"

La Complexité Spatiale

L'aspect spatial est tout aussi complexe. Prenons l'exemple des sols : "Les sols sont principalement composés de micro-agrégats (< 0,25 mm), qui lient le carbone organique du sol et le protègent de l'enlèvement par érosion, et de macro-agrégats (0,25 à 2 mm), qui limitent la diffusion d'oxygène et régulent le flux d'eau ; chacun des agrégats fournit une niche écologique unique, avec sa structure de microbiome caractéristique".

Cette diversité spatiale explique pourquoi "il a été suggéré que les sols sont les écosystèmes avec la composition de microbiote la plus diverse sur Terre en raison de tant de niches différentes présentes à petites échelles spatiales".

Le Concept de Microbiote Central

Identifier les Membres Permanents

Face à la complexité des microbiomes, les chercheurs ont développé le concept de "microbiote central" pour "faciliter la discrimination des membres stables et permanents d'un microbiome des populations qui peuvent être intermittentes, associées seulement avec des états spécifiques du microbiome, ou restreintes à des conditions environnementales spécifiques".

Vers une Approche Fonctionnelle

Plutôt que de simplement classer les microbes selon leur espèce, certains chercheurs préfèrent parler d’un "microbiote central fonctionnel". Cette idée regroupe tous les microbes qui apportent des gènes utiles au bon fonctionnement et à l’adaptation de l’ensemble formé par un organisme et ses microbes (appelé holobionte). Ce qui compte ici, c’est surtout le rôle joué par les microbes, pas forcément qui ils sont.

De la Prédiction Génétique à la Réalité Fonctionnelle

Le Défi de l'Annotation Fonctionnelle

Malgré les progrès technologiques extraordinaires, un défi majeur subsiste :

"notre compréhension est encore significativement limitée en raison du manque de liens entre la disponibilité massive de données de séquences ADN de microbiomes d'une part et la disponibilité limitée d'isolats microbiens nécessaires pour confirmer les prédictions métagénomiques de fonction génique d'autre part".

La situation est assez floue : "selon la méthode appliquée, même dans des microbiomes bien étudiés, 40-70% des gènes annotés dans des génomes microbiens entièrement séquencés n'ont pas de fonction connue ou prédite".

L'Importance de la Culture Microbienne

Pour mieux comprendre le monde des microbes, il est important de continuer à utiliser des méthodes classiques, en plus des technologies les plus récentes.

Même si nos outils deviennent de plus en plus sophistiqués, revenir parfois à des techniques plus traditionnelles reste essentiel. Par ailleurs, certaines nouvelles méthodes permettent aujourd’hui d’en apprendre davantage sur le fonctionnement des microbes, sans forcément avoir besoin de les faire pousser en laboratoire.

La Co-évolution Hôte-Microbe : Une Danse Millénaire

Au-delà de la Vision "Pathogène vs Bénéfique"

La relation traditionnelle entre hôtes et microbes, basée sur la division "en microorganismes bénéfiques, pathogènes et neutres selon les interactions microbiennes avec leurs hôtes", s'avère trop simpliste.

L'Approche Holistique

Les chercheurs privilégient désormais "l'approche holistique basée sur la théorie de l'holobionte". Dans cette vision, "l'interaction bénéfique de l'hôte et de son microbiome est responsable du maintien de la santé de l'holobionte, tandis que les maladies sont souvent corrélées avec la dysbiose microbienne".

Le Principe d'Anna Karénine

Une observation fascinante émerge de cette approche holistique : "parallèlement au dicton de Léon Tolstoï selon lequel 'toutes les familles heureuses se ressemblent ; chaque famille malheureuse est malheureuse à sa façon', les individus dysbiotiques varient plus dans la composition de leur communauté microbienne que les individus sains".

Cette observation s'applique largement : "les microbiomes de coraux sains ont été trouvés plus uniformes que ceux de coraux malades", et des patterns similaires ont été observés chez l'humain.

Applications Pratiques : Vers une Médecine et Agriculture de Précision

La Révolution Médicale

"Le microbiome humain émerge comme une cible clé de la médecine personnalisée en offrant des solutions intéressantes pour une variété de maladies environnementales et métaboliques".

Les applications incluent "les changements alimentaires, l'utilisation de pré-, pro- ou synbiotiques, les produits biothérapeutiques vivants correspondant à des espèces données ou un mélange d'espèces (microbiote synthétique), et les transplantations de microbiome".

Un exemple concret : la transplantation de microbiote fécal est un traitement approuvé contre l'infection récurrente et réfractaire à Clostridioides difficile aux USA.

La Prochaine Révolution Verte

En agriculture, "le microbiome des plantes a été identifié comme une clé pour la prochaine révolution verte". Les stratégies incluent "les transplantations de microbiome (paille fumier et additifs biodynamiques), les inoculants microbiens, les extraits microbiens et végétaux, et les méthodes pour changer les conditions environnementales".

Une Tendance Commune

Un parallélisme frappant émerge entre médecine et agriculture : "une tendance cohérente est devenue évidente dans tous les domaines. Cette tendance implique un focus sur les traitements sur mesure, comme par exemple l'agriculture de précision 'nouvelle génération' ou la médecine personnalisée".

Le Concept "One Health" : Une Vision Intégrée

L'Interconnexion des Écosystèmes

"Les microbes de différents hôtes et écosystèmes peuvent fortement interagir et s'influencer mutuellement". Cette réalisation a donné naissance au concept "One Health" :

Selon l'Organisation mondiale de la santé, 'One Health' est une approche concevant et implémentant des programmes, politiques, législations et recherches dans lesquels plusieurs secteurs communiquent et travaillent ensemble pour atteindre de meilleurs résultats de santé publique

L'Impact de l'Urbanisation

Exemple concret : l'urbanisation est associée à des augmentations d'allergies, d'asthme et d'autres maladies chroniques. En plus du schéma de pollution global, une perte significative de diversité microbienne a été observée dans les zones urbaines, qui a été associée au développement de maladies.

Les Défis de l'Anthropocène

Une Menace Planétaire

Notre époque, l'Anthropocène, pose des défis inédits : "la perte de biodiversité, la pollution, l'appauvrissement de l'ozone, le changement climatique, et le franchissement des limites des cycles biogéochimiques sont les facteurs anthropogéniques caractérisant notre époque".

Quatre des neuf limites planétaires ont maintenant été franchies en raison de l'activité humaine : le changement climatique, la perte d'intégrité de la biosphère, le changement du système terrestre, et les cycles biogéochimiques altérés

Un Rôle Clé pour les Microbiomes

Face à ces défis, les microbiomes pourraient jouer un rôle crucial : "comprendre les microbiomes marins et terrestres et leur interaction pourrait définitivement être une clé pour trouver des solutions à ces défis massifs associés à l'Antropocène".

Vers des Standards Techniques

Le Besoin de Standardisation

Un défi majeur persiste : "face aux avancées techniques prononcées et continues en microbiologie au cours de la dernière décennie, la communauté de recherche a échoué à établir des standards cohérents pour la recherche sur les microbiomes".

Des Biais à Corriger

Les problèmes sont multiples : "un grand nombre de publications est disponible qui montrent des biais dans les procédures d'extraction d'ADN et de traitement pour l'analyse subséquente des microbiomes".

Par exemple, "jusqu'à 80% de l'ADN extrait dans des habitats complexes comme les sols peut contenir de l'ADN relique (ADN extracellulaire de cellules mortes ainsi que de l'ADN excrété de cellules vivantes)".

Perspectives d'Avenir

Une Vision Intégrée

La recherche sur les microbiomes se dirige vers une approche de plus en plus intégrée. "La vision grandiose de la recherche appliquée sur les microbiomes est d'améliorer la santé des humains, des animaux, des plantes et des écosystèmes entiers".

Des Défis à Relever

Pour y parvenir, plusieurs défis doivent être surmontés :

• Développer des méthodes standardisées
• Améliorer nos connaissances fonctionnelles
• Intégrer les approches culturales et moléculaires
• Considérer les interactions à toutes les échelles

Conclusion

Le microbiome, tel que redéfini par cette communauté internationale d'experts, dépasse largement la simple collection de microbes. Il représente un écosystème dynamique, un théâtre d'activité où se jouent des interactions complexes qui influencent la santé de tous les organismes vivants.

Cette nouvelle compréhension ouvre des perspectives extraordinaires : de la médecine personnalisée à l'agriculture durable, en passant par la préservation de notre environnement. Mais elle nous rappelle aussi notre responsabilité : dans un monde où "les maladies chroniques courantes sont causées par les changements anthropogéniques du microbiome vers une diversité réduite", nous devons repenser nos pratiques.

Le microbiome n'est pas seulement un sujet d'étude scientifique - c'est un partenaire invisible mais essentiel avec lequel nous devons apprendre à coexister harmonieusement. Comprendre cette réalité microbienne, c'est peut-être détenir une clé pour l'avenir de notre planète et de notre santé.