Biologie des communautés microbiennes - Interview

Je suis Roberto Coulter. Je suis professeur de microbiologie et de génétique moléculaire à la Harvard Medical School, où je travaille depuis 1983. J'encadre un laboratoire d'environ 10 personnes, tous des postdoctorants, qui s'intéressent à plusieurs domaines du monde microbien.

Et donc, si, si, je peux simplement commencer par dire très clairement, car vous souhaiterez peut-être me poser des questions spécifiques, mais si je peux simplement commencer, mon laboratoire est un peu éclectique en ce sens qu’il couvre divers types de travaux. Certains laboratoires sont très concentrés sur des domaines précis. Alors que, si je devais caractériser mon laboratoire, je dirais que chaque postdoctorant ici se concentre sur un domaine particulier, mais qu’il y a presque aucun chevauchement entre les domaines des différents postdoctorants.

Il se peut donc que ce soit difficile pour moi de vous expliquer précisément ce qu'est mon laboratoire et ce qu'est mon travail, car il ne s'agit pas seulement d'un travail qui couvre de nombreux domaines, mais aussi d'une activité qui, il y a cinq ans, était très différente d'aujourd'hui. Il y a dix ans, nous travaillions principalement sur ce qu'on appelait la physiologie de la phase stationnaire, c'est-à-dire ce qui se passe dans les cellules qui ne sont pas en croissance active.

Et à ce moment-là, cela correspondait à la combinaison d’il y a 10 ans, où nous avions commencé à poser ces questions. Et d’ici là, le domaine – je veux dire, les physiologistes microbiens en général – s’étaient adaptés à l’idée qu’ils devaient étudier des bactéries non proliférantes, ce qui était le cas. J’ai donc décidé à ce moment-là d’abandonner en partie cette approche pour m’intéresser à des bactéries qui, non seulement proliféraient ou non, mais qui poussaient sur des surfaces ou, du moins, tiraient leur subsistance des surfaces. C’était là le concept des biofilms, et au milieu des années 1990, les ingénieurs s’y intéressaient en raison des problèmes d’écoulement dans les tubes, entre autres.

Mais les microbiologistes physiologistes et les généticiens n'avaient guère prêté attention à cela. Nous avons donc commencé à créer des mutants dans des systèmes modèles qui étaient incapables de s'attacher aux surfaces. Et donc, dix ans plus tard, puis-je résumer ce qui s'est passé ?

Maintenant, j'imagine, entre autres, que ce que nous avons fait, c'est nous concentrer fortement sur *Bacillus subtilis*, un organisme modèle particulièrement remarquable qui forme des spores et nous permet ainsi d'étudier des voies très spécifiques de différenciation dans le contexte de cellules disposées en nappe sur une surface. Je pense que ce que ces dix dernières années ont révélé, c'est qu'il y a eu une forte migration de chercheurs qui travaillaient auparavant sur des cellules en suspension vers l'étude de leur comportement lorsqu'elles se trouvent fixées sur des surfaces. Ainsi, ce qui était auparavant une approche centrée sur l'ingénierie des biofilms attire désormais l'attention de nombreux domaines variés, notamment de chercheurs en génétique, en biologie moléculaire, entre autres, en microbiologie.

Alors, qu'est-ce que cela a signifié en termes de microbiologie ? Je ne suis pas certain que cela ait fait une grande différence, à part le fait qu'on s'enthousiasme désormais beaucoup à l'idée de reconnaître à quel point l'existence à la surface diffère de celle des cellules en suspension. Lors de l'assemblage d'une communauté, il existe un niveau d'organisation qui nécessite, ou qui, nous constatons, implique la communication entre les cellules.

Cela consiste, en étudiant la physiologie bactérienne en suspension, à observer comment une cellule évolue en fonction des modifications de son environnement. En aucun cas cette cellule n’a besoin d’être en contact chimique ou physique avec les autres cellules présentes. Vous vous contentez de faire une moyenne sur une population, déduisant à partir de ce que vous observez au niveau de l’ensemble de la population ce qui pourrait se produire au niveau de la cellule unique.

Lorsque vous agitez cette population et que toutes les cellules flottent dans un liquide, la présence des autres cellules n'a guère d'importance. Cela a de l'importance pour l'expérimentateur, car c'est ainsi qu'on obtient les valeurs moyennes, mais cela n'a pas d'importance pour la cellule elle-même. Sa physiologie est définie par sa réponse à l'environnement, et non nécessairement par sa réponse aux autres cellules.

Une fois que les cellules se sont fixées et commencent à produire une matrice d'accélération, elles s'organisent en différents types cellulaires au sein de cette communauté ; ce qui se produit alors, c'est qu'elles commencent à communiquer entre elles. Ainsi, l'ensemble du domaine de la communication cellulaire s'ouvre à travers l'étude des communautés associées aux surfaces. Les défis actuels, je pense, pour nous, dans le domaine des biofilms, notamment dans ce que nous faisons dans mon laboratoire, concernent l'idée de pouvoir suivre la lignée d'une cellule individuelle et de déterminer son destin, ce qui exige encore des techniques que nous commençons tout juste à développer.

Je pose la question : comment évalue-t-on réellement l'état physiologique d'une cellule individuelle dans le contexte de milliers d'autres cellules ? Sur le plan technique, c'est très difficile. Nous disposons de gènes rapporteurs, nous avons des méthodes pour y parvenir, mais cela reste un défi considérable, notamment sans perturber la cellule, de pouvoir évaluer ce qui se passe au niveau physiologique dans d'autres domaines auxquels je participe et qui impliquent la communication entre cellules.

Un grand défi consiste à savoir comment faire, comment faire, vous savez, l'une des choses que nous avons commencé à reconnaître en microbiologie ces dernières années est la diversité remarquable qui existe, et si vous souhaitez jeter un filet très large qui vous renseigne abondamment sur le monde microbien dans son état réel. Combien de signaux existent réellement ? Comment jeter un filet même raisonnablement exhaustif ? Ainsi, un défi conceptuel majeur est de savoir si ce que nous faisons avec ces constructions de laboratoire entièrement artificielles, dans lesquelles nous observons la vie bactérienne, reflète réellement ce qu'elles font dans le monde réel.

Je veux dire, s'agit-il d'un artefact complet, au niveau des molécules qu'elles s'envoient mutuellement, voire des structures qu'elles forment ? Ainsi, les descriptions anatomiques que nous établissons de ces communautés sont-elles valables quant à ce qu'elles font réellement, ce que font ces organismes dans le monde réel ? Et nous ne le savons pas, car rares sont ceux qui ont pu sortir dans le monde réel pour observer ce que font réellement les bactéries là-bas, au niveau auquel nous pouvons les observer en laboratoire ; et lorsque nous sortons sur le terrain, nous pouvons les observer, mais selon une méthode d'observation complètement différente.

Oui, j'essaie de ne pas être trop, j'essaie de ne pas être trop prophétique quant à, vous savez, quel sera le lien réel entre les travaux que nous menons et le monde réel, car je ne suis pas convaincu qu'il existe une connexion directe. Mais permettez-moi simplement de vous exposer ce que les gens perçoivent généralement concernant deux domaines. L'un de ces domaines concerne les biofilms et l'autre, la communication entre cellules.

Il est donc bien établi que bon nombre des infections que l'on observe aujourd'hui, impliquant des bactéries, concernent des bactéries très difficiles à traiter par des thérapies conventionnelles. Il ne s'agit pas nécessairement d'une résistance génétique ni d'une condition universelle, mais plutôt du fait que ces bactéries, lorsqu'elles se trouvent dans ces biofilms, c’est-à-dire des communautés associées à une surface, deviennent physiologiquement résistantes ou tolérantes aux traitements antibiotiques. Par exemple, un dispositif implantable tel qu'un cathéter peut devenir infecté, et une fois cette situation survenue, l'infection est très difficile à éradiquer, car les bactéries présentes sur le cathéter sont fortement résistantes aux thérapies connues.

Ainsi, l'un des espoirs des chercheurs est qu'en comprenant mieux l'état des cellules dans le biofilm, il deviendra plus facile de développer de nouvelles stratégies pour lutter contre ces bactéries que les approches conventionnelles ne parviennent pas à éliminer. Voilà donc une possibilité. On peut également envisager que, si nous apprenons comment les bactéries se comportent dans ces biofilms, nous serons en mesure de les faire produire de meilleures substances pour nous à l'avenir.

En quelque sorte, tout le concept du bioprocédé, qui va au-delà du domaine médical. On peut imaginer que dans de nombreuses industries utilisant des bactéries, si nous savions comment les faire produire davantage de substances sous forme de biofilms, elles seraient plus efficaces, plus performantes, etc. Cette idée de recouvrir des surfaces avec des bactéries est en réalité fascinante, car elle concerne presque toutes les surfaces de la planète.

Ainsi, même les personnes impliquées dans les voies maritimes peuvent réfléchir à la manière de maintenir l'activité biologique sur leurs navires afin que ceux-ci fonctionnent plus efficacement. Vous pouvez donc imaginer que simplement comprendre le contexte naturel dans lequel les bactéries interagissent avec les surfaces a un impact considérable dans pratiquement tous les domaines. Mais je n'essaie pas de penser que ce que nous faisons mènera nécessairement à des améliorations, car, vous savez, je laisse cela se produire naturellement.

L'autre domaine dont je voulais vous parler était la communication entre cellules. Et c'est un domaine intéressant parce que nous possédons des substances que nous appelons des antibiotiques, et en définitive, ce que je vous disais précédemment en laboratoire et en médecine, c'est que nous connaissons la nature de ces composés. On les appelle des antibiotiques, n'est-ce pas ?

Donc, c'est parce qu'ils tuent les bactéries. Or, ils sont en réalité produits par des bactéries. La plupart des antibiotiques sont fabriqués par des bactéries.

Et, ce qui est amusant, c’est que nous, en tant que communauté de scientifiques, nous n’avons vraiment aucune idée de ce que font ces composés dans la nature. Oui. Nous ne disposons d’aucune preuve directe que les bactéries qui les produisent les fabriquent parce qu’elles souhaitent les utiliser comme antibiotiques, n’est-ce pas ? Il existe donc de nombreux indices indiquant qu’en réalité, ils agissent comme des molécules de signalisation, non pas pour s’éliminer entre elles, mais pour communiquer.

Et ce qui est intéressant, c’est que l’on peut inverser la perspective et se dire que, peut-être, si nous découvrons de nouvelles molécules de signalisation, elles pourraient s’avérer être des antibiotiques utiles. Ainsi, une possibilité de recherche translationnelle consisterait à découvrir de nouveaux composés signalisateurs et à vérifier si, en bloquant ces signaux, on pourrait aboutir à de nouvelles thérapies, ou si certaines des molécules elles-mêmes, identifiées comme molécules de signalisation, pourraient éventuellement devenir des agents thérapeutiques utiles. Oui, c’est toujours délicat.

Je veux dire, je peux vous dire ce que je ferais peut-être dans cinq ans. Je ne sais pas si c'est nécessairement ce qu'il y a de plus important. On ne peut jamais prédire l'avenir à cinq ans, je pense.

Mais, je reviendrai sur un point que j'ai mentionné précédemment. Je pense en termes d'écologie microbienne, ce qui implique la création de communautés complexes et l'analyse des interactions entre espèces. Je suis convaincu que nous devons vraiment exploiter cette idée selon laquelle nous disposons désormais de moyens de plus en plus efficaces au niveau de la cellule unique.

Donc, si nous le pouvons, je pense que la direction que nous devons suivre consiste à explorer l'écologie microbienne, non pas en, je veux dire, il est toujours utile d'aller dans les océans et les forêts, et de faire ce genre de collection systématique que les chercheurs ont menée ces vingt dernières années, ce qui a été très utile. Mais nous devons commencer à observer concrètement ces myriades d'espèces, à comprendre comment elles interagissent, et comment elles interagissent non pas à l'échelle classique que nous avons étudiée jusqu'à présent, caractérisée par des tailles de population énormes, mais plutôt à des tailles de population pertinentes ou réelles au niveau d'une cellule unique. Je pense donc qu'il faut revenir à l'analyse microscopique de petits nombres d'organismes afin d'observer leurs interactions.

Je pense donc que plus nous ferons ce type d’analyse, plus nous apprendrons sur les interactions réelles, et que nous pourrons ensuite extrapoler ces résultats aux communautés qui existent dans l’océan, entre autres. Mais selon moi, nous devons revenir à l’intérieur et examiner des échelles qui sont pertinentes par rapport à la taille des bactéries. Actuellement, presque tout est réalisé en faisant une moyenne sur des échelles qui représentent en réalité des univers entiers pour cet organisme, n’est-ce pas ?

Ainsi, les gens pensent qu'une petite échelle correspond à un centimètre, mais dans un centimètre cube, on peut trouver 10 à la puissance 9 organismes et jusqu'à 10 à la puissance 4 espèces dans le sol, n'est-ce pas ? Nous devons donc vraiment nous pencher à cette échelle, examiner des volumes de l'ordre du micron cube, et observer comment ces cellules interagissent. Quelle est leur physiologie à ce niveau ?

Comment perçoivent-ils leur monde dans ce contexte ? Si je commençais mon postdoctorat aujourd'hui, je... je le ferais sérieusement. Je pense vraiment que chaque fois qu'un nouveau postdoctorant arrive dans mon laboratoire, je redémarre mon laboratoire.

Et c’est très différent de la plupart des laboratoires, n’est-ce pas ? Donc, en un sens, je fais cette expérience à chaque fois qu’un nouveau postdoctorant arrive ici : oui, il existe une certaine tradition quant à ce que j’ai fait, mais je pense que je vois le monde d’un œil neuf. Je pense que l’écologie microbienne est le domaine dans lequel je travaillerais, mais je l’aborderais dans le contexte de l’écologie expérimentale, où je peux véritablement manipuler et contrôler les populations et les espèces avec lesquelles j’étudie les interactions, et non pas l’écologie microbienne au sens d’observation passive de ce qui existe dans la nature.

Je veux dire, ce n'est pas un domaine que je considère comme essentiel pour les chercheurs, mais je ne pense pas que ce soit, c'est, est la, est la réponse à toutes les questions. Nous devons vraiment examiner le mécanisme, la base mécanistique des interactions entre les espèces. Et vous devez le rendre suffisamment simple pour pouvoir l'aborder.

En réalité, je suis convaincu que tout le domaine de l'écologie, et pas seulement l'écologie microbienne, bénéficiera grandement de l'écologie expérimentale. Cela découlera de l'étude de systèmes bactériens dans lesquels les espèces sont maniables, où l'on peut réellement contrôler les paramètres. C'est donc cela que je choisirais de faire aujourd'hui.

C'est ce que je fais.