Boucles pour les micro-organismes
Les chercheurs mettent au point une méthode permettant de cultiver des communautés microbiennes de manière stable et permanente.
Les capacités des communautés microbiennes complexes sont utilisées pour de nombreux processus biotechnologiques. Cela nécessite des compositions particulières des communautés microbiennes. Cependant, celles-ci sont souvent instables et susceptibles d'être perturbées. Les chercheurs de l'UFZ ont maintenant mis au point une "méthode de transfert de masse avec une boucle" qui peut stabiliser les communautés microbiennes à long terme. Leur étude a récemment été publiée dans PNAS.
Système de réacteur en boucle : Les cinq réacteurs avec les communautés microbiennes ont été exploités de la même manière. Le sixième réacteur était connecté aux cinq réacteurs. Il synchronisait les communautés microbiennes et renvoyait les bactéries à croissance lente dans les réacteurs.
© Zishu Liu / UFZ
Sur l'eau, sur la terre et dans l'air - les micro-organismes sont presque partout et sont essentiels à tous les cycles biogéochimiques de la planète. Ils sont les maîtres de la dégradation et de la transformation dans l'eau, le sol - et même dans nos intestins. Que ce soit dans les stations d'épuration des eaux usées ou dans les processus biotechnologiques industriels (par exemple pour la production d'aliments, de biogaz ou de plastiques biosourcés), nous exploitons la productivité de communautés microbiennes complexes. Les bonnes conditions permettent aux micro-organismes de remplir leurs fonctions respectives. Cependant, des processus stables nécessitent également une composition stable de la communauté microbienne. "Et c'est précisément là le défi", déclare le professeur Susann Müller, qui dirige le groupe de travail sur la cytométrie en flux au département de microbiologie environnementale de l'UFZ. "Le problème des communautés microbiennes est qu'elles peuvent soudainement se développer dans des directions complètement différentes - même dans les mêmes conditions".
Un événement aléatoire mineur peut donner naissance à une communauté microbienne complètement différente. Et cela peut arriver assez rapidement lorsque les micro-organismes se développent de manière exponentielle. En outre, il y a un flux constant ou un transfert de masse dans les bioréacteurs, ce qui peut être désastreux pour certains micro-organismes. "Dans les communautés microbiennes, il existe également des micro-organismes qui ne sont présents qu'en nombre relativement faible et qui se multiplient lentement", explique M. Müller. "Par exemple, les micro-organismes formateurs de méthane utilisés dans la production de biogaz sont indispensables aux processus souhaités. Ils ont des taux de croissance plus lents et n'entrent en jeu qu'à des stades ultérieurs. Si les micro-organismes essentiels sont perdus par inadvertance dans le système, tout finit par s'arrêter". Afin d'éviter cela, l'équipe de recherche de l'UFZ a proposé une nouvelle méthode appelée "transfert de masse avec une boucle" dans une étude récemment publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Une sorte de boucle est intégrée au système de bioréacteur afin de stabiliser la communauté microbienne et d'éviter que des groupes microbiens ne disparaissent complètement du système. Mais comment cela fonctionne-t-il ? Et comment les scientifiques s'y sont-ils pris ?
Ils ont d'abord créé cinq bioréacteurs, chacun avec des communautés microbiennes identiques. Ils ont ensuite cherché à savoir si et dans quelle mesure la composition de ces communautés changeait au fil du temps. Pour ce faire, ils ont utilisé la cytométrie de flux à haut débit pour examiner rapidement les cellules individuelles et les caractériser en détail. Divers paramètres des bactéries, tels que la taille des cellules, leur densité et leur contenu en ADN, peuvent être déterminés. Un échantillon contenant 200 000 cellules bactériennes peut ainsi être affiché aussi précisément qu'une empreinte digitale - un peu comme un code QR - en quelques minutes seulement. Grâce à des méthodes informatiques spéciales, l'équipe de recherche a analysé les énormes quantités de données générées et a ainsi pu détecter des changements dans la composition microbienne. "Comme on pouvait s'y attendre, les communautés microbiennes des cinq bioréacteurs se sont développées de manière très différente malgré des conditions identiques", explique M. Müller. Les chercheurs ont ensuite introduit une boucle dans le système. Ce sixième bioréacteur était relié à chacun des cinq réacteurs par un flux entrant et un flux sortant. Ainsi, un échange constant ou un transfert de masse a eu lieu entre les bioréacteurs. "Nos recherches ont montré que les communautés microbiennes des bioréacteurs étaient synchronisées entre elles par la boucle et que leur composition et leurs fonctions étaient stabilisées en permanence", explique M. Müller. "En outre, la probabilité de survie des micro-organismes à faible taux de croissance a été considérablement augmentée. Cet effet de sauvetage peut être crucial pour de nombreux processus biotechnologiques".
Les effets des transferts de masse ne sont pas nouveaux ; ils sont connus, entre autres, des stations d'épuration dans lesquelles une partie des boues de décantation de la troisième étape de traitement est retransférée vers la deuxième étape de traitement. "Le principe était en fait assez évident", explique M. Müller. "Mais, jusqu'à présent, personne ne l'avait étudié en profondeur. Dans notre étude, nous avons conçu un système de réacteur entièrement nouveau et combiné un large éventail de disciplines telles que la microbiologie, l'écologie, la biotechnologie, l'analyse de cellules uniques, la science des données et la modélisation. Nous avons ainsi pu montrer pour la première fois que le principe du transfert de masse avec une boucle peut stabiliser les communautés microbiennes à long terme. Nous espérons qu'avec notre étude, nous pourrons fournir des stimuli pour une application pratique".
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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