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Article. L'influence du microbiome sur les comportements
Jean-Paul Baquiast 02/08/2015

1. Comment le microbiome nous impose certains comportements contraires à notre intérêt

On appelle microbiome les populations de bactéries qui vivent principalement dans le tube gastro-intestinal d'un humain ou d'un animal doté d'un tel organe. Les individus composant ces populations seraient chez l'homme dix fois plus nombreuses que les cellules composant l'organisme humain. Elles sont très différentes les unes des autres mais hautement organisées collectivement. Il a été dit qu'elles se comportaient comme le font les cellules du corps, en collaborant pour optimiser la survie de celui-ci.

Le microbiome peut donc être considéré comme un organisme à lui seul, vivant à l'intérieur du corps. Mais il n'est pas nécesairement optimisé pour assurer les meilleurs choix de survie pour l'individu lui-même. Les bactéries du microbiome sont optimisées pour assurer la survie du microbiome lui-même, ou d'une majorité des populations de bactéries composant celui-ci. Cete organisation résulte de la compétition darwinienne entre population de bactéries, sélectionnant les plus aptes à survivre au sein du microbiome. Elle s'adapte donc le mieux possible aux variations du milieu extérieur.

Il va de soi que la connaissance que peuvent avoir les biologistes du microbiome restent très superficielles, faute d'instruments permettant d'expérimenter en permanence au sein d'un tube intestinal. Par contre, des prélèvements de flore bactérienne permettent d'étudier in vitro les comportements des bactéries concernées, de façon il est vrai encore très partielle.

Très récemment, par ailleurs, des modèles informatiques permettent de simuler certains des comportements de ces bactéries, tant au niveau des populations qu'à celui éventuellement de micro-organismes individuels. Ces bactéries sont des cellules eucaryotes très complexes, pouvant être considérées à elles seules comme de petits organismes dotés de l'équivalent des différents organes nécessaires à leur survie, organes liées à l'alimentation-sécrétion, organes de type sensoriel, organes permettant la mobilité. Certains microbiologistes évoquent même, en considérant les échanges chimiques entre les différents composants de la cellule, le terme d'un primitif système nerveux.

Au niveau des populations bactériennes constituant le microbiome, par contre, il est beaucoup plus facile d'identifier les fonctions globales nécessaires à l'optimisation de la survie de celui-ci. Il est également possible de commencer à identifier les populations bactériennes différentes ou les modes d'organisation collective jouant le rôle des différents organes nécessaires à la survie d'un organisme supérieur: fonctions digestives, fonctions de type sensori-moteurs et finalement fonctions équivalentes à celles assurées par un système nerveux « intelligent » .

Or jusqu'ici, le petit organisme constitué du microbiome était considéré comme fonctionnant au profit du grand organisme. Autrement dit, il ne lui dictait pas de comportements nuisibles – sauf du moins avant la mort dudit grand organisme. A ce moment, celui-ci se défait, le microbiome lui-même se désorganise et chaque population de bactérie reprend son individualité. Des études récentes ont cependant montré que les microbes peuplant l'appareil gastro-intestinal d'un humain en bonne santé pouvaient manipuler son comportement, notamment dans le domaine alimentaire, en lui imposant des stratégies qui ne sont pas nécessairement compatibles avec les meilleurs choix de santé pour l'humain.

Elles développent pour ce faire deux stratégies complémentaires. La première provoque l'appétence de l'hôte pour des aliments favorables à leur propre développement ou défavorables à celui de populations bactériennes avec lesquelles les premières sont en compétition. La seconde induit des états de malaise ou de dépression quasi pathologiques, selon les normes employées en matière de santé mentale. Ces états durent tant que l'hôte ne consomme pas les aliments nécessaires à la survie des bactéries générant de tels malaises. Ces deux stratégies peuvent induire chez l'hôte des comportements alimentaires incompatibles avec le maintien d'une bonne santé, par exemple la surconsommation de graisses.

Comment procède le microbiome pour commander ainsi le comportement de l'organisme entier? Il dispose de différents outils pour ce faire, notamment la production de toxines qui influencent les impressions de faim ou de satiété ou qui altèrent le sens du goût. Elles s'attaquent ainsi directement aux récepteurs du goût, et indirectement au  « nerf vague » qui relie l'intestin au cerveau.

Ces découvertes permettent de mettre au point des prébiotiques et antibiotiques permettant de lutter contre des bactéries identifiées comme nuisibles. De même, des transplants fécaux ou plus simplement des changements déterminés de régime imposé par le cerveau, lui-même assisté de bons conseils médicaux, limitent l'influence des bactéries « égoïstes ». Mais l'on conçoit qu'il faut être prudent dans l'utilisation de tels remèdes, afin de ne pas détruire le microbiome tout entier, dont personne ne nie le rôle irremplaçable..

Plus généralement, la science en sait encore très peu concernant les relations complexes entre le microbiome et l'organisme. On considère généralement qu'il joue un rôle très important dans la production d'états physiologiques ou même mentaux aidant l'organisme à faire face aux difficultés rencontrées. Joue-t-il un rôle dans des comportements non strictement alimentaires, par exemple les addictions à l'alcool ou autres produits toxiques? Détermine-t-il des réactions dans d'autres domaines positifs ou nuisibles à l'égard de l'adaptation de l'organisme, et pas conséquent au maintien en bon état du microbiome lui-même. On serait tenté de répondre par l'affirmative, mais ceci restera à démontrer en détail.

Source

Online LibraryWiley ler août D014 Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/bies.201400071/full

2. Modèle robotique simulant les « cerveaux » bactériens.

Nous avons ci-dessus évoqué les simulations par l'informatique et l'intelligence artificielle du microbiome et de ses relations avec l'organisme. Une recherche menée par Warren Ruder, Assistant Professor of Biological Systems Engineering, Virginia Tech et dont les résultats viennent d'être publiés, fournit des précisions a cet égard.

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Computational Simulation of microbiome-host interactions

. (A) A basic gene circuit forms the core of all simulated gene network behavior. (B) Green fluorescent protein (GFP, shown as a green dot) from this circuit is conceptualized to be detected by an onboard miniature, epifluorescent microscope (EFM). (C) A computational simulation of microbiome GFP production based upon an analytical model for the circuit in (A). In a built system, this protein fluorescence signal would be the light detected by the EFM. (D) The conceptualized robot uses onboard electronics to convert the measured light signals into electrical (voltage) signals. (E) Voltage signals meeting specific criteria activate pre-programmed robot motion subroutines. (F) The resulting emergent behavior potentially leads a robot to a carbon fuel depot. Here, robot behavior resulting from a simulation of the circuit in (A) is shown. The robot was programmed with motion subroutines that activate to seek arabinose (synthesized from glucose, orange square) depots following receipt of lactose (cyan triangles). (credit: Keith C. Heyde & Warren C. Ruder/Scientific Reports)

L'étude s'est inspirée d'expériences sur la mouche du vinaigre et sur des souris montrant comment l'introduction de bactéries pouvait modifier leur comportements. La simulation informatique a reposé sur la création d'un robot virtuel conçu pour être analogue à une bactérie, comportant des circuits artificiels génétiques modifiés, des senseurs et des actuateurs commandant le mouvement. Le robot-bactérie était conçu pour identifier des niveaux d'expression de gènes d'un E.Coli en utilisant un minuscule microscope pouvant réagir à la couleur, rouge ou verte, émise par la bactérie en fonction des aliments absorbés.

Le comportement du robot-bactérie dans le modèle, face à un aliment énergétique, est apparu semblable à celui d'un prédateur de grande taille (tiger like), selon le terme des chercheurs, approchant une proie.

Ces premières études faisant appel à la biologie synthétique et à la robotique pourront être étendues. En agriculture, on pourra explorer les relations entre les bactéries du sol et le bétail. Dans le domaine de la santé, une meilleure compréhension du rôle de la physiologie intestinale pourra conduire à des prescriptions à base de bactéries (probiotiques) destinées à traiter différentes affections physiques et mentales. Le thème a été évoqué dans la première partie de cet article. Dans le domaine de la pollution, des robots spécialement conçus pourront disperser des bactéries susceptibles de lutter contre les effets négatifs de certains produits industriels répandus dans l'environnement.

Abstract of Exploring Host-Microbiome Interactions using an in Silico Model of Biomimetic Robots and Engineered Living Cells

The microbiome’s underlying dynamics play an important role in regulating the behavior and health of its host. In order to explore the details of these interactions, we created anin silico model of a living microbiome, engineered with synthetic biology, that interfaces with a biomimetic, robotic host. By analytically modeling and computationally simulating engineered gene networks in these commensal communities, we reproduced complex behaviors in the host. We observed that robot movements depended upon programmed biochemical network dynamics within the microbiome. These results illustrate the model’s potential utility as a tool for exploring inter-kingdom ecological relationships. These systems could impact fields ranging from synthetic biology and ecology to biophysics and medicine.

Reférence
Exploring Host-Microbiome Interactions using an in Silico Model of Biomimetic Robots and Engineered Living Cells
http://www.nature.com/srep/2015/150716/srep11988/full/srep11988.html