Tests de co-culture à haut débit pour l'étude des interactions microbiennes

Dans la nature, les micro-organismes existent rarement isolément; par conséquent, ils interagissent constamment avec d’autres organismes. Par conséquent, l’étude de la façon dont les micro-organismes interagissent les uns avec les autres est essentielle pour comprendre une multitude de comportements microbiens¹. Les interactions microbiennes peuvent être mutualistes, commensales ou antagonistes. Ces teractions peuvent affecter non seulement les micro-organismes eux-mêmes, mais aussi les environnements et les hôtes que les micro-organismes colonisent^1,2.

De nombreux scientifiques étudient les interactions microbiennes pour identifier de nouvelles molécules antimicrobiennes. L’une des premières molécules antimicrobiennes cliniquement importantes a été trouvée grâce à l’étude des interactions microbiennes. Sir Alexander Fleming a observé un isolat contaminant de penicillium qui a inhibé la croissance d’une souche de Staphylococcus, qui a mené à la découverte de la pénicilline antibiotique couramment utilisée³. La caractérisation des mécanismes que les micro-organismes utilisent pour contrarier leurs concurrents reste une ressource fructueuse pour la découverte de molécules antimicrobiennes. Par exemple, il a été récemment montré que Streptomyces sp. souche Mg1 produit des linearmycins antibiotiques, qui ont une activité lytique et dégradative contre Bacillus subtilis⁴.

En outre, un peptide non-ribosomally synthétisé nommé lugdunin a été récemment découvert après l’observation que nasal commensal Staphylococcus lugdunensis inhibe Staphylococcus aureus⁵. Des études ont également montré que les interactions mutualistes entre micro-organismes sont tout aussi puissantes que les interactions antagonistes pour la découverte de molécules antimicrobiennes. Par exemple, de nombreuses fourmis cultivantes de champignons de la tribu Attini abritent des bactéries symbiotiques appelées Pseudonocardia sur leur exosquelette qui produit des molécules antifongiques pour inhiber un agent pathogène obligatoire de leur culture fongique⁶. Comme l’étude des interactions microbiennes a été bénéfique pour la découverte de molécules antimicrobiennes, l’utilisation d’écrans à haut débit peut entraîner la découverte de nouvelles molécules antimicrobiennes.

En ce qui concerne le coût et la facilité de performance, les méthodologies utilisées pour étudier les interactions microbiennes vont de simples à complexes. Par exemple, un test de prise d’agar est une méthode peu coûteuse et simple qui peut être employée pour étudier l’antagonisme entre les micro-organismes multiples^7. Cependant, un analyse de prise d’agar n’est pas une procédure efficace et peut être laborieux pour beaucoup de combinaisons pairewise. Pour évaluer les effets des produits produits microbiens sur les isolats cibles d’intérêt d’une manière à haut débit, de nombreux laboratoires utilisent des tests de diffusion de disques⁸. Ces essais sont faciles et peu coûteux et peuvent être évolutifs à un nombre plus élevé d’échantillons⁷. Cependant, cet essai nécessite la production d’extraits microbiens et peut produire des résultats trompeurs pour certaines combinaisons d’organismes cibles et d’antibiotiques, tels que Salmonella et céphalosporines⁹.

Les approches précédentes reposent sur des composants isolés pour susciter une réponse dans un organisme cible, au lieu de permettre aux micro-organismes d’interagir les uns avec les autres. Ceci est à noter parce que les interactions entre les microbes peuvent provoquer la production de molécules antimicrobiennes « cryptiques » qui ne sont pas produites en monoculture. Par exemple, il a été récemment démontré que le keyicine antimicrobien n’est produit que par un Micromonospora sp. lorsqu’il est co-cultivé avec un Rhodococcus sp. qui est isolé du microbiome éponge même¹⁰. Des méthodologies d’interaction plus complexes contournent cet obstacle potentiel de monoculture. Par exemple, l’iChip est utile pour isoler les bactéries rares et difficiles à cultiver à partir d’échantillons environnementaux et permet l’observation des interactions microbiennes par la croissance in situ¹¹. Pour étudier les interactions en détail, la spectrométrie de masse d’imagerie par imagerie par imagerie par imagerie par laser assistée par matrice (MALDI-TOF-IMS) peut être utilisée. Cette approche fournit des informations détaillées sur la composition et la distribution de petites molécules et peptides produites par des colonies microbiennes en interaction avec une haute résolution spatiale. MALDI-TOF-IMS a également été utilisé dans de multiples études d’interactions bactériennes pour caractériser les mécanismes de la concurrence^12,13,14,15. Cependant, MALDI-TOF-IMS nécessite souvent une préparation laborieuse d’échantillons, une expertise spécialisée pour faire fonctionner l’équipement et des spectromètres de masse coûteux et spécialisés. Pour ces raisons, il est difficile d’utiliser une technique pour les études à haut débit. Ainsi, un test de co-culture simple, évolutif et à haut débit pour les interactions microbiennes qui surmonte de nombreuses limites des approches ci-dessus serait bénéfique.

Ici, un protocole pour la co-culture microbienne à haut débit est présenté. Cet test est simple et facilement intégré dans les études préexistantes des interactions microbiennes. Contrairement à de nombreuses méthodes couramment utilisées pour l’étude des interactions microbiennes, notre méthode est simple, peu coûteuse, et est prête à étudier un grand nombre d’interactions. Ces essais sont non seulement faciles à réaliser, mais les matériaux sont largement disponibles auprès de la plupart des fournisseurs de laboratoire ou des ressources publiques (p. ex., bibliothèques et makerspaces). Par conséquent, cet analyse est avantageux comme première ligne d’investigation pour identifier et analyser les modèles intéressants parmi de nombreuses combinaisons de micro-organismes, ce qui peut être particulièrement utile pour l’étude de l’écologie microbienne.