Enquêter la communauté microbienne dans l'intestin postérieur des termites - Interview

Ainsi, les microbes présents dans le tube digestif des termites constituent un exemple de symbiose mutualiste particulièrement fascinante et complexe. Je m'intéresse à l'étude des termites et de ces microbes afin de mieux comprendre les différents rôles joués par chacune des composantes lors de la dégradation d'une source alimentaire très complexe, la lignocellulose, en produits que l'insecte et les microbes peuvent tous deux utiliser. Je suis Jared Ledbetter.

Je suis professeur associé de microbiologie environnementale au California Institute of Technology, et je participe à notre programme en sciences et génie de l'environnement. Je suis à Caltech depuis six ans et demi, mais depuis les 17 dernières années, mes travaux de recherche portent principalement sur l'étude des communautés microbiennes présentes dans les intestins postérieurs de diverses termites. Depuis que j'ai découvert la microbiologie du tube digestif des termites en tant qu'étudiant lors d'un cours d'été sur la diversité microbienne dispensé à Woods Hole, dans le Massachusetts, je me suis fortement intéressé à l'identité et à la fonction des différentes espèces microbiennes qui vivent dans les intestins postérieurs des termites.

Les communautés du tube digestif postérieur des termites comprennent environ 250 espèces microbiennes uniques, représentant les trois domaines du vivant. On peut y identifier des Archées métagéniques, des bactéries cellulolytiques anaérobies, des protozoaires décomposeurs, donc des eucaryotes unicellulaires, ainsi qu'une grande diversité de bactéries, incluant de très nombreuses espèces nouvelles appartenant à un groupe appelé spirochètes. Bien qu'environ 250 espèces différentes vivent dans les termites et qu'elles ne se trouvent nulle part ailleurs dans la nature, même après près d'un siècle d'études, notre compréhension reste très limitée quant à la fonction de chacun de ces micro-organismes, dans ce qui constitue globalement une symbiose mutualiste particulièrement fascinante entre l'insecte hôte et la communauté microbienne, symbiose au cours de laquelle la cellulose est dégradée en produits qui alimentent essentiellement le métabolisme à la fois de l'insecte hôte et de ces divers micro-organismes.

Ainsi, au cours des 16 à 17 dernières années, je me suis fortement intéressé à l'identification de ces espèces et à leurs fonctions. Comment ces espèces interagissent-elles entre elles dans le tube digestif postérieur, et quel bénéfice apportent-elles à l'hôte ? Les termites et leurs micro-organismes intestinaux constituent ainsi un exemple de symbiose mutualiste particulièrement fascinante et complexe.

Je m'intéresse donc à l'étude des termites et de leurs microbes afin de mieux comprendre les différents rôles que jouent les divers composants lors de la dégradation d'une source alimentaire très complexe, la lignocellulose, en produits que l'insecte et les microbes peuvent tous deux utiliser. Une autre raison d'étudier les termites et les microbes de leur tube digestif est que les termites constituent mondialement un groupe d'animaux très important, jouant des rôles essentiels et critiques dans les cycles globaux du carbone et de l'azote. Dans les régions tropicales et subtropicales, les termites sont extrêmement diversifiés : il existe de très nombreuses espèces différentes de termites, et ils sont très abondants.

Et comme exemple de leur succès, ces insectes sont, malgré leur petite taille, des sources importantes de CO2 et de méthane à l’échelle mondiale. En raison de la quantité de bois qu’ils transforment en ces produits, les termites contribuent à environ 2 % du CO2 mondial et à environ 4 % du méthane mondial, ce qui est en réalité très significatif pour un seul groupe d’animaux. Ainsi, en étudiant les micro-organismes impliqués dans l’activité de ces insectes, nous comprenons mieux ces derniers ainsi que les bases de leur succès à l’échelle planétaire.

L'étude des termites et de leurs micro-organismes intestinaux est également intéressante du point de vue de l'échelle et de la reproductibilité. À certains niveaux, j'étudie les termites et leurs micro-organismes intestinaux parce que cet environnement est très passionnant et complexe. Mais l'environnement du tube digestif postérieur, cet écosystème du tube digestif postérieur, est très différent de nombreux autres environnements.

L'intestin postérieur des termites est très petit, d'un volume d'environ un microlitre, et il est très bien délimité en ce sens qu'il est bordé par l'épithélium intestinal ou par l'insecte lui-même. Mais nous pouvons définir très concrètement quelles sont les limites de cet environnement. Et l'environnement est très restreint ; nous pouvons collecter un échantillon de termites, comptant 200 individus, et en moyenne, nous avons ce même environnement qui se réplique encore et encore.

Si vous comparez l'environnement de l'intestin des termites, par exemple, à celui de la mer des Sargasses, la mer des Sargasses est immense et vaste. Elle s'étend sur mille miles. Ses limites sont définies, mais peut-être uniquement d'un point de vue opérationnel.

Il n’existe pas de limite bien définie pour la mer des Sargasses et il n’y en a qu’une seule. Nous pouvons donc apprendre beaucoup de choses sur les sciences marines grâce à l’étude de la mer des Sargasses, et il est très important d’étudier cette mer. Mais certaines complications existent, notamment le fait que vous devez pouvoir monter à bord d’un bateau et vous y rendre.

Si vous avez une découverte concernant certains des microbes présents, vous ne savez peut-être pas où se trouvent ces microbes à un moment donné, et leur localisation pourrait différer de plusieurs kilomètres ; bien entendu, il n'en existe qu'un exemplaire. Il est donc difficile d'étudier la mer des Sargasses et de la perturber d'une manière ou d'une autre tout en disposant d'une mer des Sargasses témoin pour la comparer. En étudiant leurs microbes intestinaux, nous disposons en réalité d'un exemple d'environnement qui se prête aux techniques de laboratoire.

Nous pouvons reproduire cet environnement, le perturber et le comparer à des groupes témoins. Et nous savons toujours, à environ un millimètre près, où toutes ces différentes communautés microbiennes et espèces microbiennes interagissent, elles interagissent dans ce microenvironnement intestinal d’un microlitre. Ainsi, dans mon laboratoire, nous aimons étudier cette communauté microbienne en utilisant vraiment n’importe quelle technique disponible qui pourrait nous aider à révéler les secrets de cette communauté.

Un aspecte certain de ceci a été de tenter de faire croître des espèces présentes dans cette communauté microbienne. In vitro, en laboratoire, une communauté de 250 espèces est très complexe, et il existe une clarté inégalée dans l'interprétation des recherches lorsque l'on peut étudier une culture pure d'une bactérie. Certains de nos efforts se sont concentrés sur l'exploration de cette communauté intestinale afin d'isoler et de cultiver des espèces individuelles, puis d'étudier en détail la physiologie, la génétique et la génomique de ces espèces, avant d'essayer de déduire ce que cela implique quant à la fonction de ces espèces au sein de la communauté.

Un exemple de ceci est notre étude sur l'intestin des termites. Les spirochètes, les spirochètes sont des organismes en forme de spirale, que l'on trouve en abondance dans presque tous les termites. Chez les termites, vous avez des spirochètes, qui sont en réalité assez étroitement apparentés à l'agent causal de la syphilis, mais chez tous les termites sains, on observe ces spirochètes.

Ainsi, pendant de nombreuses, nombreuses années, nous savions que ces spirochètes étaient probablement des symbiotes accomplissant quelque chose de bénéfique pour l'hôte, mais nous ne savions pas quoi. Il y a environ 10 ans, j'ai réussi à cultiver certaines de ces spirochètes SPI in vitro, et désormais nous pouvons étudier ces spirochètes SPI et avons appris beaucoup de choses sur leur physiologie ainsi que sur ce que ces spirochètes font probablement dans l'environnement. Avant cette période, nous n'avions aucune idée de ce que faisaient ces spirochètes dans leur environnement.

Nous avons donc réalisé de nombreuses découvertes grâce aux cultures pures en étudiant ces cultures pures. Nous utilisons également des méthodes basées sur les gènes pour étudier cette communauté microbienne. Il peut exister un type particulier de gène qui représente une certaine physiologie, et nous pouvons examiner cette communauté pour déterminer combien de variantes de ce gène sont présentes et quels sont les organismes qui codent pour ces gènes essentiels ?

Ainsi, en étudiant la diversité des gènes impliqués dans le métabolisme de l'azote et les aspects clés du métabolisme du carbone, nous pouvons commencer à analyser fonctionnellement ce qui se produit dans ce tube digestif postérieur. Nous pouvons également utiliser des mécanismes ou des approches fondés sur les gènes pour évaluer la diversité des organismes présents dans le terme. Nous pouvons utiliser les gènes d'ARN ribosomique comme gènes marqueurs ou codes-barres afin d'évaluer précisément combien d'espèces sont présentes dans cette communauté, leur abondance éventuelle, et dans quelle mesure nos cultures pures reflètent effectivement cette diversité. Nous utilisons donc un certain nombre de techniques fondées sur les gènes dans mon laboratoire.

Nous nous sommes également consacrés à la métagénomique, domaine dans lequel nous nous intéressons à l'analyse du contenu génomique complet de cet écosystème microbien, afin d'obtenir une idée des différents métabolismes qui se déroulent au sein de cette communauté. Dans mon laboratoire, nous étudions des cultures pures. Nous utilisons des techniques fondées sur les gènes assistées par PCR, nous appliquons la métagénomique, et nous examinons les activités, notamment les activités enzymatiques présentes dans ce tube digestif.

Nous utilisons également la microscopie afin de déterminer où se trouvent les organismes dans l'intestin et avec quelles autres cellules ils interagissent. Dans l'ensemble, notre objectif est de comprendre combien d'espèces sont présentes dans l'intestin postérieur, quelles sont leurs fonctions respectives et comment elles interagissent entre elles. L'étude des communautés microbiennes présente plusieurs défis spécifiques, distincts de ceux rencontrés pour d'autres communautés présentes dans la nature.

Vous savez, il est relativement simple de se promener dans les bois ou dans la savane et d'observer les différentes espèces de plantes et d'animaux que vous rencontrez au cours de votre promenade. En écologie des communautés, de nombreuses méthodes ont été développées et diverses approches adoptées au cours des cent dernières années afin de poser des questions sur le nombre d'espèces de plantes ou d'animaux présentes dans une communauté donnée, ainsi que sur la fréquence à laquelle on les rencontre dans cette communauté. Puis, en observant effectivement certains de ces organismes au sein de leur communauté dans le temps, on peut voir quelles sortes d'adaptations ils ont développées face aux dynamiques environnementales et aux agressions environnementales auxquelles ils sont confrontés.

Vous savez, vous pouvez observer un éléphant ou un lion dans la savane et étudier certains de leurs comportements liés à leurs adaptations, ainsi que la manière dont ils obtiennent leur énergie et leur nourriture, ou encore comment ils interagissent entre eux. Toutes ces observations sont relativement simples à réaliser. Lorsque vous étudiez des micro-organismes, des organismes visibles à l'œil nu, il est également assez simple de distinguer si vous avez affaire à une plante ou à un animal.

Je ne parle pas en termes d'espèce, mais en termes de fonction. On peut observer un organisme et affirmer presque certainement qu'il s'agit d'un phototrophe, c'est-à-dire d'un organisme qui absorbe le rayonnement solaire et transforme cette énergie en une forme utilisable. Ou bien, je regarde un animal hétérotrophe et je constate que cet animal utilise principalement les protéines comme source d'énergie.

Il existe donc un certain nombre d'observations que vous pouvez effectuer en traversant une communauté urbaine comme celle de La Havane ou une communauté forestière. Il est beaucoup plus difficile de faire de telles observations et d'en tirer des conclusions lorsque vous étudiez des communautés microbiennes. Les organismes sont petits, et il n'est pas toujours évident, même avec un très bon microscope, de distinguer en quoi les différents organismes diffèrent les uns des autres.

C’est-à-dire que si vous observez une communauté microbienne en tant que telle, il peut être très difficile de déterminer le nombre d’espèces présentes et leurs distributions relatives. Il peut également être très difficile d’observer cette communauté microbienne au microscope et de répondre à la question suivante : que font ces organismes ? Ainsi, un défi majeur dans l’étude des communautés microbiennes consiste à déterminer qui est présent et ce qu’ils font.

Nous devons donc utiliser différentes techniques pour l’étude des communautés microbiennes afin d’extraire des informations sur cette communauté : quels microorganismes sont présents, lesquels sont actifs, quelles sont leurs fonctions, comment réagissent-ils et quelles sont leurs adaptations face aux changements de leur environnement. Depuis que je me suis intéressé à l’étude des communautés microbiennes du tube digestif des termites il y a 17 ans, vers 1990, plusieurs avancées technologiques sont survenues dans mon domaine, qui m’ont permis, ainsi qu’à d’autres chercheurs, d’acquérir de nombreuses connaissances supplémentaires sur les communautés microbiennes, et plus particulièrement, dans mon cas, sur les communautés du tube digestif des termites. Ces progrès reposent en grande partie sur des techniques fondées sur les gènes.

Quand j'ai commencé à étudier les termites, on pouvait utiliser la microscopie, observer une communauté microbienne telle que celle du tube digestif des termites, évaluer les différentes formes présentes dans cette communauté et obtenir une estimation du nombre d'espèces différentes présentes. Mais au cours des 15 à 17 dernières années, un grand nombre de techniques basées sur les gènes et de nombreuses techniques de génomique sont devenues disponibles, transformant très rapidement notre capacité à extraire des informations à partir de communautés microbiennes telles que l'intestin postérieur des termites. Désormais, nous pouvons utiliser les gènes comme des marqueurs quasi-barcode pour identifier différents organismes dans l'environnement.

Nous pouvons explorer une communauté microbienne telle que l'intestin postérieur d'un terme et déterminer combien d'espèces différentes sont présentes en utilisant certains gènes comme indicateurs de cette diversité. Et nous pouvons utiliser ce gène comme un code-barres pour vérifier si nous possédons ces organismes en culture ou pour suivre, grâce à ce code-barres, les fluctuations de l'abondance des différentes espèces au sein de cette communauté. En utilisant d'autres techniques fondées sur les gènes, nous pouvons nous demander si les gènes codant pour des enzymes impliquées dans cette fonction particulière sont présents dans cette communauté.

Et combien de variantes existent-il, c’est-à-dire combien d’espèces d’organismes sont capables de catalyser cela, et possédons-nous ces organismes en culture ? Un certain nombre d’approches fondées sur les gènes et sur la réaction en chaîne par polymérase (PCR) ont ainsi été mises en œuvre pour étudier les communautés microbiennes, ce qui a radicalement transformé notre compréhension de ces communautés. Tous ces changements se sont manifestés au cours des 20 dernières années.

L'étude des termites et de leurs micro-organismes intestinaux est intéressante à la fois du point de vue de la recherche fondamentale ou académique et aussi de celui de la recherche appliquée et biotechnologique. Les termites consomment et dégradent le bois. Et pour moi, il est très important de comprendre par quels mécanismes les termites et leurs micro-organismes intestinaux attaquent effectivement le bois, qui constitue en réalité le premier matériau composite de la nature.

Il s'agit d'un composite tri-laminé, un matériau très résistant. Comprendre comment cet insecte, à l'aide de ses micro-organismes intestinaux, déamine ce composite puis dégrade tous ses composants en produits pouvant être utilisés comme source d'énergie tant par l'insecte que par ces micro-organismes me paraît extrêmement fascinant. Cela présente également un intérêt fondamental pour la biotechnologie et l'industrie.

En tant que société, nous ne comprenons pas vraiment complètement. En réalité, nous ne comprenons pas grand-chose sur la manière dont le bois se dégrade en quoi que ce soit. Et il existe actuellement un intérêt considérable pour une meilleure compréhension de la façon dont la lignocellulose végétale – les enveloppes de riz, les épis de maïs, les résidus de canne à sucre après extraction du sucre – se décompose.

Il existe un grand intérêt pour comprendre comment nous pourrions transformer des produits lignocellulosiques de faible valeur en substances de plus grande valeur comme l'éthanol, l'hydrogène, le méthane ou tout autre produit. Ce qu'il est essentiel de considérer, c'est que les termites dégradent en permanence le bois lignocellulosique et le transforment en leur propre biocarburant. Sur le plan industriel, de nombreux chercheurs s'intéressent à l'identification des enzymes impliquées dans l'attaque initiale du bois.

Et peut-être qu’alors, on pourrait utiliser ces enzymes et les coupler à d’autres processus en aval afin de concevoir un nouveau procédé, différent de ceux utilisés actuellement dans l’industrie et différent également de ce qui se produit actuellement dans la nature, mais qui combinerait réellement le meilleur de chaque approche pour créer quelque chose de nouveau, comme la conversion du bois en un produit d’intérêt. Éthanol, hydrogène, méthane ou tout autre composé : ce qui intéresse principalement mon laboratoire, c’est d’acquérir une compréhension fondamentale de cette communauté microbienne, de son interaction avec l’hôte, ainsi que du rôle que jouent l’hôte et la communauté microbienne dans la dégradation de la lignocellulose.

Mais il existe un intérêt considérable pour l'exploitation de certaines de ces informations dans le développement de nouveaux procédés industriels. Je pense qu'il y a eu de nombreuses discussions sur les biocarburants au cours des deux dernières années, ce qui a attiré l'attention sur le besoin, voire sur les perspectives prometteuses, de la recherche dans les biocarburants. Je dois toutefois être honnête : je ne pense pas que le niveau des initiatives de financement soit à la hauteur de l'intérêt suscité par ce domaine.

Il n’existe aucun projet Manhattan pour les biocarburants. Aucun investissement à grande échelle et spectaculaire n’a été consacré à la recherche fondamentale en lien avec les biocarburants. Et puisque notre compréhension fondamentale de la dégradation de la cellulose lignique est encore si limitée à ce stade, je pense que si nous lançons une initiative sur les biocarburants, elle devra inclure des investissements ciblés à tous les niveaux, allant de la recherche académique fondamentale jusqu’à l’industrie, afin de la rendre possible.

Et si les gens souhaitent que cela se produise dans deux, cinq ou dix ans, nous devrons également investir des fonds afin que des personnes consacrent leur temps et leurs efforts à concrétiser cet objectif. Au cours des 20 dernières années, notre capacité à utiliser des techniques fondées sur les gènes pour étudier les communautés microbiennes a progressé extrêmement rapidement. Je pense que nous pouvons tous rêver un peu à ce qui pourrait se produire au cours des cinq à dix prochaines années, et je crois qu'il est très probable que, dans dix ans, nous soyons capables de connaître, de séquencer et d'analyser l'ensemble du génome de chaque espèce.

Dans l'intestin postérieur des termites, il y en a au moins 250, et je pense qu'il y aura là l'occasion d'obtenir un classeur, pour ainsi dire, d'informations dans lequel nous connaîtrons le contenu génomique de chacune de ces espèces. Ce sera une découverte très marquante, car il y a seulement 10 ans, nous séquencions pour la toute première fois les génomes de micro-organismes très bien connus. Et dans 10 ans, je pense que nous serons capables d'explorer des communautés microbiennes complexes et d'accéder aux informations génomiques d'organismes que nous n'avons jamais, jamais étudiés en détail, et de pouvoir utiliser ces données pour mener des études sur ces organismes pour la première fois.