Selon une nouvelle étude, il existe des points de basculement dans les écosystèmes microbiens où même de petites perturbations suffisent à provoquer un effondrement. Les auteurs de l'Institut Helmholtz pour la biodiversité marine fonctionnelle de l'Université d'Oldenburg décrivent les communautés microbiennes comme un réseau dans lequel différentes populations échangent des produits métaboliques entre elles. Ce réseau d’interdépendances peut s’effondrer brutalement si des populations individuelles disparaissent, comme le montrent les résultats. Ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi la diversité microbienne est difficile à maintenir en laboratoire.
Les écosystèmes microbiens – tels que ceux présents dans l'eau de mer , les sols ou l'intestin humain – présentent une diversité étonnante. Pourtant, les chercheurs parviennent rarement à reproduire cette diversité en laboratoire : de nombreux micro-organismes meurent lorsqu'on tente de les cultiver. Une nouvelle étude menée par deux chercheurs de l'Institut Helmholtz pour la biodiversité marine fonctionnelle de l'Université d'Oldenburg (HIFMB) apporte un éclairage nouveau : les biologistes Tom Clegg et Thilo Gross concluent que la survie des microbes dépend non seulement de leurs besoins individuels, mais aussi d'un réseau complexe d'interactions qui peut être perturbé par de simples modifications structurelles.
Dans leurs travaux, les chercheurs considèrent les communautés microbiennes de manière simplifiée comme un réseau dans lequel différentes populations sont reliées par l'échange de produits métaboliques : chaque espèce a besoin de nutriments et libère en même temps des substances dont d'autres ont besoin comme nourriture. Clegg et Gross ont modélisé ce réseau complexe en utilisant des méthodes issues de la théorie des réseaux – une procédure mathématique issue à l’origine de la physique et utilisée dans ce pays pour comprendre le comportement des systèmes complexes.
Résultat de l’analyse : dans le modèle, la perte de populations individuelles peut entraîner l’effondrement de l’ensemble du réseau, la communauté microbienne passant relativement brusquement à un état de diversité plus faible. « Un tel effondrement peut être compris comme un point de basculement, similaire à une panne de courant dans un réseau électrique ou à l’effondrement des chaînes d’approvisionnement pendant la pandémie de coronavirus », explique l’auteur principal Clegg.
La tentative de cultiver une communauté microbienne en laboratoire représente une telle perturbation : si, par exemple, tous les membres d'une communauté naturelle ne sont pas enregistrés lors de l'échantillonnage, ils ne sont plus en mesure de produire des produits métaboliques vitaux pour d'autres espèces. « Notre étude se concentre sur la structure de ces interactions et fournit de nouvelles perspectives sur les raisons pour lesquelles il est si difficile de maintenir la diversité des communautés microbiennes en laboratoire », explique Thilo Gross.
Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que les dépendances mutuelles jouent un rôle crucial dans la possibilité ou non de cultiver des microbes en laboratoire. Cependant, l’étude actuelle montre pour la première fois comment ces interrelations se jouent dans des communautés complexes dans leur ensemble – et que les communautés peuvent s’effondrer même dans un environnement tel qu’une culture de laboratoire où il y a suffisamment de ressources si le réseau de leurs relations mutuelles est perturbé. Le modèle montre également que de tels systèmes peuvent ne pas se rétablir même si toutes les ressources nécessaires sont à nouveau disponibles. « Il ne s’agit pas seulement de savoir ce dont les microbes individuels ont besoin, mais aussi de qui ils dépendent », souligne Clegg. « La communauté prospère ou s’effondre dans son ensemble. »
publication originale
Thomas Clegg, Thilo Gross : « L’alimentation croisée crée des points de bascule dans la diversité du microbiome », Actes de l’Académie nationale des sciences, vol. 122, n° 19
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