Alimentation croisée : comment de nombreuses bactéries décomposent ensemble une fibre

État sain

Une fibre est rarement une chaîne simple. La paroi cellulaire d'une plante est un maillage de cellulose, d'hémicelluloses comme le xylane et de pectines, avec des chaînes latérales, des ramifications et de nombreuses liaisons différentes entre les sucres. Chaque type de liaison demande une enzyme adaptée. Dans l'intestin grêle, l'humain ne peut couper presque que l'amidon et les sucres simples ; les bactéries intestinales se chargent du reste. Elles se répartissent le travail par étapes : les dégradeurs primaires cassent les grandes chaînes, les utilisateurs secondaires fermentent les fragments en acétate, lactate, succinate et hydrogène, et les utilisateurs finaux en font du butyrate Butyrate Un acide gras à chaîne courte et la principale source d’énergie des cellules de la paroi du côlon. Il renforce la barrière et freine l’inflammation. Plus dans le chapitre « Le butyrate et les autres acides gras à chaîne courte », du propionate ou du méthane. Ce passage de relais s'appelle l'alimentation croisée (cross-feeding). Quelles espèces clés se trouvent où et comment les nourrir est expliqué dans le chapitre sur les bactéries clés.

Beaucoup de Bacteroides portent dans leur génome une boîte à outils propre à chaque type de fibre, appelée locus d'utilisation des polysaccharides. Elle comprend un capteur qui reconnaît la nourriture, des protéines de liaison et des enzymes à la surface de la cellule, et une porte par laquelle les fragments entrent. La boîte s'active quand la bonne nourriture arrive. Les boîtes qu'une espèce possède décident de ce qu'elle peut manger : pour les fructanes, des espèces de Bacteroides très proches différaient justement sur ce point, et chez la souris cela prédisait quelle espèce s'imposait avec une alimentation riche en fructanes.

Jusqu'où une seule bactérie peut aller, le rhamnogalacturonane II le montre : un composant de la pectine des parois végétales et le glucide le plus complexe que l'on connaisse. Il contient 21 liaisons différentes. Bacteroides thetaiotaomicron en coupe 20 à lui seul, avec des familles d'enzymes jusque-là inconnues, dans un ordre coordonné, car certaines liaisons ne deviennent accessibles qu'une fois les chaînes latérales retirées. D'autres fibres demandent des spécialistes que tout le monde n'a pas : dans une étude française, les bactéries qui dégradent la cellulose cristalline se trouvaient surtout chez les personnes qui produisent du méthane ; chez les autres, des Bacteroidetes se chargeaient de dégrader les parois cellulaires d'épinard. Ruminococcus bromii, lui, s'est spécialisé dans l'amidon : 15 de ses 21 enzymes de coupe appartiennent à une seule famille de l'amidon, et il les assemble à sa surface en complexes appelés amylosomes.

En dégradant une fibre, il en reste pour les autres, et ce n'est souvent pas un hasard. Chez les Bacteroides, certaines enzymes travaillent hors de la cellule ou sont expédiées dans de petites vésicules membranaires. Les fragments libérés nourrissent des espèces qui ne pourraient pas utiliser seules la fibre entière. Bacteroides ovatus dégrade même l'inuline hors de la cellule à ses propres frais et nourrit ainsi Bacteroides vulgatus ; chez la souris, cela lui a été profitable, car il en a tiré des avantages en retour. Pour le xylane des céréales, Roseburia intestinalis et Bacteroides se partagent la nourriture parce qu'ils préfèrent des fragments de tailles différentes : Roseburia absorbe de préférence des morceaux de quatre à cinq unités. Et Bifidobacterium bifidum dégrade les sucres du lait maternel de façon que d'autres bifidobactéries en profitent.

Le deuxième niveau de l'alimentation croisée, ce sont les déchets de la fermentation. Faecalibacterium et Roseburia absorbent l'acétate libéré par d'autres en fabriquant du butyrate. Anaerobutyricum hallii utilise le lactate et transforme en outre le 1,2-propanediol, un produit de dégradation de certains sucres, en propionate ; pour cela, il fabrique sa propre vitamine B12, et on l'a trouvé dans les selles des trois quarts des adultes étudiés. L'hydrogène, produit par presque toute fermentation, est repris par trois groupes : les sulfato-réducteurs en font du sulfure d'hydrogène, les archées méthanogènes du méthane et les bactéries acétogènes de l'acétate. Les trois coexistent dans l'intestin humain.

Le mucus de la paroi intestinale est lui aussi partagé. Akkermansia muciniphila Akkermansia Une bactérie intestinale qui vit du mucus de la paroi et en stimule le renouvellement. Dans les études, une forte présence va souvent de pair avec un bon métabolisme. Plus dans le chapitre « La couche de mucus et les additifs » dégrade les chaînes de sucres du mucus et libère des sucres et de l'acétate. Dans des cultures mixtes, Faecalibacterium, Anaerostipes et Anaerobutyricum hallii, qui ne dégradent pas le mucus eux-mêmes, ont poussé grâce à cela et produit du butyrate. En retour, A. hallii a fourni une forme de vitamine B12 grâce à laquelle Akkermansia a pu produire du propionate. Du butyrate peut ainsi se former directement contre la paroi intestinale, même quand aucune fibre n'arrive ; cela n'a été montré jusqu'ici qu'en laboratoire.

État perturbé : causes et conséquences

Si un maillon de la chaîne fait défaut, des produits intermédiaires restent en plan. Dans un côlon sain, le lactate reste bas, car les utilisateurs de lactate le transforment en butyrate et en propionate. Dans les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin, il peut au contraire s'accumuler fortement. Dans un modèle de laboratoire de la flore intestinale Microbiome, microbiote intestinal La communauté de tous les microbes de l’intestin, surtout des bactéries, mais aussi des virus, des champignons et des archées. La plupart vivent dans le côlon. Plus dans le chapitre « Développer la diversité microbienne » humaine, le lactate ajouté s'est accumulé surtout à un pH acide de 5,5, le butyrate et le propionate ont baissé et la composition s'est modifiée. Les communautés pauvres en utilisateurs de lactate étaient d'emblée moins stables.

Celui qui reprend l'hydrogène décide du gaz. Si les méthanogènes ou les sulfato-réducteurs dominent, il se forme plus de méthane ou de sulfure d'hydrogène au lieu d'acétate. Les deux sont de plus en plus associés au syndrome de l'intestin irritable Syndrome de l’intestin irritable Des douleurs abdominales récurrentes liées aux selles, sans que les examens trouvent une autre cause. On le comprend aujourd’hui comme un trouble de l’interaction intestin-cerveau. Plus dans le chapitre « L’axe intestin-cerveau », et le méthane au test respiratoire Test respiratoire Après avoir bu une solution sucrée, on mesure plusieurs fois l’hydrogène et le méthane dans l’air expiré. Cela révèle des intolérances aux sucres et des signes de pullulation bactérienne. Plus dans le chapitre « Tests intestinaux : ce qu’ils montrent et ce qu’ils ne montrent pas » va plus souvent de pair avec la constipation. Ce qui détermine l'équilibre entre les trois utilisateurs d'hydrogène n'est pas encore clair. Plus de détails dans le chapitre sur le sulfure d'hydrogène et le méthane.

Le partage peut être exploité. En laboratoire, des espèces qui se contentent de prendre des fragments ont parfois poussé plus vite que les dégradeurs primaires qui faisaient le travail. Certains dégradeurs primaires partagent donc peu : face au mannane de levure, le sucre de la paroi des levures de boulanger et de bière, Bacteroides thetaiotaomicron agit de façon franchement égoïste. Il ne fait que des coupes grossières en surface et fait entrer les gros morceaux, si bien qu'il ne reste presque rien pour les autres. Qu'une fibre nourrisse beaucoup d'espèces ou peu dépend donc aussi de qui l'atteint en premier.

Si le spécialiste manque, la fibre reste inutilisée. Sans Ruminococcus bromii, l'amidon résistant n'est guère fermenté, et la cellulose cristalline ne peut être dégradée que par quelques espèces que tout le monde ne porte pas. Des espèces peuvent disparaître au fil des générations avec une alimentation pauvre en fibres. Si tu réagis à peine à une fibre, il manque peut-être un maillon à ta chaîne ; on ne peut pas encore le vérifier de façon fiable.

Une limite honnête : presque tout dans ce chapitre vient de cultures pures, de cultures mixtes de quelques espèces, de modèles de laboratoire et de souris axéniques. Comment ces réseaux fonctionnent réellement dans le côlon humain avec des centaines d'espèces reste largement non mesuré, et aucun test de selles ne peut le montrer aujourd'hui. Le principe est établi, pas les détails pour une personne donnée.