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La compréhension actuelle des rôles des micro-organismes dans la nature, dans la santé et dans la maladie repose encore principalement sur des études avec des cultures pures. Cependant, ce domaine de recherche est beaucoup plus complexe, car la plupart des bactéries sont incultivables dans des conditions de laboratoire, ce qui nous amène à la question philosophique de savoir comment découvrir les fonctions microbiennes si nous ne connaissons même pas les besoins de croissance d’une grande partie du microbiote naturel. La récupération des microorganismes à partir d’environnements complexes (c.-à-d. sol, expectorations, matrices alimentaires) dépend en grande partie de la connaissance des facteurs abiotiques tels que l’humidité, l’activité de l’eau, le pH, la salinité, la composition de l’atmosphère, la température et les sources de nutriments 1,2. De plus, dans les matrices complexes, les interactions microbiennes (c’est-à-dire la compétition, l’antagonisme) sont également d’une importance capitale. Ainsi, les modèles les plus robustes pour les études d’écologie microbienne devraient prendre en compte à la fois les facteurs abiotiques et biotiques pour mieux imiter les communautés autochtones.
Les progrès des technologies omiques telles que la métataxonomique, la métagénomique, la métatranscriptomique, la métamétabolomique et le séquençage de gènes unicellulaires des communautés microbiennes ont fourni une description plus approfondie des caractéristiques métaboliques et taxonomiques des écosystèmes microbiens, générant des données sur le microbiote cultivable et non cultivable 1,3. En outre, ces nouvelles techniques mettent également en lumière les relations complexes entre les micro-organismes des microbiomes alimentaires, humains, animaux, du sol et végétaux. En parallèle, un autre paradigme intéressant en écologie microbienne est la culturomique, un terme introduit par Lagier et al.4, qui représente la récupération d’espèces bactériennes précédemment négligées à partir de l’intestin humain à l’aide de méthodes de culture à haut débit et de l’identification taxonomique par spectrométrie de masse MALDI-TOF 4,5. Fondamentalement, avec cette approche, les échantillons sont divisés et traités dans différents milieux de culture et incubés dans différentes conditions de température, de pression ou d’autres facteurs abiotiques afin d’augmenter la probabilité d’isoler les bactéries des échantillons complexes5. Dans l’ensemble, les méthodes basées sur les omiques et la culturomique permettent d’accéder aux informations concernant les facteurs abiotiques et biotiques nécessaires aux bactéries afin d’imiter leurs écosystèmes d’origine dans des conditions de laboratoire.
Dans cette collection de méthodes, les contributions de différents groupes de recherche de divers pays rendent compte de l’avancement des études d’écologie microbienne liées aux méthodes basées sur les omiques et la culturomique. Les études sur l’utilisation de la métataxonomie (également connue sous le nom de métabarcoding) sont fondamentales pour surveiller des environnements complexes et pour assembler des profils microbiens cultivables et non cultivables dans diverses niches écologiques. Yarimizu et al.6 fournissent une méthodologie robuste pour évaluer les proliférations d’algues dans les écosystèmes marins et abordent une question importante en écologie microbienne en décrivant un échantillonnage adéquat et une stratégie d’analyse des données pour rendre les études reproductibles. En alliant la microscopie et les techniques physicochimiques, les auteurs valident une méthode de criblage d’échantillons d’eau de mer afin de détecter les espèces d’algues potentielles impliquées dans les pertes économiques dans l’aquaculture des produits de la pêche commerciale.
Une autre préoccupation fondamentale en écologie est la compartimentation des microbes (c’est-à-dire leur distribution d’assemblage). Pioli et al.7 présentent une plateforme microfluidique géométriquement construite sur la base d’une matrice polymère polydiméthylsiloxane (PDMS) pour piéger les bactéries, en utilisant Escherichia coli comme exemple. Les auteurs montrent que la dynamique spatiale dans des conditions contrôlées aide à la compréhension des interactions microbiennes et de la physiologie d’un seul micro-organisme. En outre, Masters-Clark et al.8 montrent également l’application d’une plateforme microfluidique basée sur le PDMS pour étudier les interactions fongiques-fongiques et fongiques-bactériennes dans un environnement contrôlé. Les principales différences entre les protocoles résident dans la conception des canaux pour accueillir les micro-organismes, étant donné que pour reproduire la géométrie du sol et éviter une croissance fongique extrême dans la matrice, les canaux doivent être soigneusement évalués dans le protocole de Master-Clark et al.6 , tandis que dans le protocole de Pioli et al.5, l’utilisation de motifs colloïdaux est proposée pour calibrer et générer des motifs multimatériaux complexes dans la conception de la matrice microfluidique. Ces études fournissent des protocoles élégants pour concevoir des expériences visant à modéliser les niches écologiques efficaces et fondamentales, c’est-à-dire la viabilité d’un organisme en contact avec d’autres organismes dans des situations réelles et le potentiel biotique d’un organisme dans des conditions idéales pour se développer, respectivement9.
Une autre façon de caractériser les fonctions microbiennes des microbiomes, ainsi que d’imiter les complexes microbiens dans des conditions de laboratoire, consiste à développer des matrices synthétiques. Dans ce contexte, Vieira et al.10 proposent une nouvelle méthode pour simuler les expectorations des patients atteints de mucoviscidose, visant à prédire les effets de l’oxygénation sur la composition microbienne et les résultats cliniques des patients affectés.
Enfin, l’article de Berni et al.15 montre que l’application d’un logiciel de traitement d’images dédié avec des scripts spécifiques peut être utile pour évaluer les interactions bactériennes et eucaryotes de cellule à cellule 11,12,13,14. Ces auteurs décrivent un protocole basé sur une souche de Salmonella portant un plasmide rapporteur de fluorescence pour décrire le comportement pathogène bactérien au contact des cellules épithéliales et pour montrer comment il s’accumule et s’hyper-réplique dans l’environnement cytosolique.
En tant qu’éditeurs invités, nous sommes heureux d’avoir partagé, à travers cette collection, des protocoles très réussis pour explorer les paradigmes et les besoins actuels de l’écologie microbienne, nous rappelant qu’une seule méthode n’est pas suffisante pour accéder à la multitude d’informations dans le monde microbien et qu’il est nécessaire d’utiliser autant de protocoles que possible pour répondre aux questions écologiques.