La bataille entre les bactéries et les phages

Les Bactéries et les virus appelés Phages sont dans une bataille constante pour survivre. Cette compétition mène généralement à l'éradication de l'un des deux dans de petits groupes. Pour se défendre, les bactéries ont créé différentes manières de lutter contre ces phages, mais parfois ces défenses sont encore battues par des phages qui ont trouvé des contre-stratégies. Ces systèmes de défense et de contre-stratégie sont cruciaux pour la variété de gènes présents chez les microbes, et ils peuvent se propager entre différentes souches de bactéries grâce à un processus appelé Transfert Horizontal de Gènes (THG). On a suggéré que tous les différents systèmes de défense dans les communautés microbiennes fonctionnent ensemble dans une sorte de système "pan-immunitaire", où les gènes peuvent circuler entre les bactéries grâce au THG.

Dans ce travail, on propose un modèle pour comprendre comment ce processus fonctionne. Notre modèle examine comment les bactéries et les phages interagissent, en utilisant divers systèmes de défense et de contre-défense. On a découvert que le THG peut aider à maintenir une large gamme de Gènes de défense et de contre-défense même lorsque certaines souches de bactéries finissent par s'éteindre. Pour que ce système fonctionne, le THG doit se produire à un rythme suffisamment élevé pour permettre à certains descendants de souches mourantes de survivre, grâce à l'immunité qu'ils obtiennent d'autres bactéries.

Ce processus de mouvement des gènes est en quelque sorte similaire à la façon dont les animaux se répandent sur les îles. Dans notre cas, au lieu que des espèces se déplacent d'une île à l'autre, ce sont des gènes qui se déplacent entre les bactéries.

#Contexte

Les phages sont les formes de vie les plus comunes et diversifiées sur Terre. Ils exercent une forte pression sur les communautés bactériennes en les attaquant et en les tuant. Par exemple, on estime que les virus marins tuent environ 20 % des microbes océaniques chaque jour. Pour riposter, les bactéries ont développé diverses stratégies de défense pour bloquer la reproduction des phages. Cela inclut des systèmes comme la restriction-modification (RM), l'infection abortive, et les systèmes CRISPR-Cas. D'un autre côté, les phages développent leurs propres contre-stratégies, ajoutant des gènes qui peuvent inhiber ces défenses bactériennes.

Les phages et les bactéries ont été des sujets utiles pour étudier l'évolution depuis les débuts de la biologie moléculaire. Les expériences montrent souvent que des phages ou des bactéries coexistants conduisent à une victoire d'un côté, poussant l'autre à l'extinction. De nombreux modèles mathématiques indiquent qu'avec le temps, un côté dominera toujours et la diversité dans l'écosystème sera perdue. Pourtant, même après des milliards d'années, cette compétition a continué dans la nature, créant la riche diversité que l'on observe aujourd'hui. Pour comprendre comment cette diversité persiste, il faut examiner comment différents facteurs, comme la randomité dans la nature et l'évolution, entrent en jeu, aux côtés des défenses génétiques utilisées par les deux parties.

Des études récentes ont montré que les systèmes de défense sont souvent regroupés sur l'ADN bactérien dans des régions appelées îles de défense. En examinant où se trouvent ces gènes de défense dans divers génomes, les scientifiques ont trouvé qu'ils existent souvent dans des éléments génétiques mobiles. En raison de la grande variété de systèmes de défense, chaque génome bactérien a généralement seulement une petite sélection d'entre eux. Dans de nombreux environnements naturels, la collection de défenses est étalée parmi différentes souches. Cela a conduit à l'idée de "pan-immunité", où les bactéries peuvent rapidement échanger du matériel génétique contenant des gènes de défense pour aider à résister aux phages.

Cependant, les phages ne peuvent transporter qu'un nombre limité de gènes de contre-défense en raison de leurs limitations de taille génétique. Cela signifie qu'ils ne peuvent infecter qu'un certain nombre de souches bactériennes. Pour que les phages restent compétitifs dans une communauté avec des défenses diverses, ils doivent évoluer en acquérant des combinaisons de différents gènes de contre-défense.

#Aperçu du Modèle

Dans ce travail, on se concentre sur la façon dont le THG affecte les interactions entre les hôtes bactériens et les phages, en supposant que la susceptibilité à certains phages est le facteur principal affectant la forme physique des bactéries et des phages. Ce faisant, on examine les gènes de défense et de contre-défense que les deux parties possèdent.

On utilise un modèle basé sur les systèmes toxine-antitoxine (TA), qui explique comment les bactéries peuvent lutter contre les phages. Dans ces systèmes, les toxines qui seraient normalement neutralisées par l'antitoxine dans les bactéries peuvent être activées lorsqu'un phage attaque, arrêtant la reproduction du phage. Les phages peuvent contrer cette défense en acquérant eux-mêmes des antitoxines, leur permettant d'infecter les bactéries. Dans notre modèle, chaque hôte porte son propre ensemble de gènes de toxine et d'antitoxine, et ces gènes peuvent être transférés entre les hôtes ou les phages grâce au THG.

Notre objectif est de comprendre comment le THG et les systèmes de défense contre les phages interagissent pour maintenir la diversité génétique parmi les populations bactériennes. En utilisant notre modèle, on peut suivre combien de temps les gènes de défense et les Génotypes de phage persistent dans un environnement donné. On a découvert que des changements dans les taux de THG peuvent conduire à différentes dynamiques concernant la façon dont ces systèmes évoluent au fil du temps.

#Les Dynamiques du THG

L'étude examine différents taux de THG et comment ces taux affectent la survie des gènes et des génotypes parmi les bactéries. En réalisant des simulations, on peut observer comment ces taux conduisent à différents résultats, spécifiquement :

1. Régime I : Coexistence Instable - Si le taux de THG est bas, certaines souches bactériennes peuvent persister pendant une courte période avant de disparaître sans revenir par le biais du THG. Cela entraîne une baisse de la diversité génétique jusqu'à ce que les taux de THG augmentent suffisamment pour maintenir un équilibre.

2. Régime II : Rotation des Génotypes et Persistance des Gènes - Dans ce taux intermédiaire de THG, de nouvelles souches bactériennes peuvent croître rapidement mais peuvent aussi faire face à l'extinction à cause des attaques des phages. Cependant, le processus de THG permet à certains descendants de ces souches d'acquérir de l'immunité, permettant ainsi aux gènes de défense de continuer à exister même si les souches originales disparaissent.

3. Régime III : Persistance des Génotypes - À un taux élevé de THG, l'écosystème maintient un équilibre stable, avec des bactéries et des phages coexistant sans s'éteindre. Les échanges fréquents de gènes par le biais du THG empêchent les phages d'écraser les bactéries.

À travers des simulations numériques, on peut comprendre comment les changements dans le taux de THG affectent la dynamique globale des populations bactériennes et de phages. Ces taux doivent être soigneusement équilibrés pour maintenir un écosystème dynamique, car un taux de THG trop bas conduit à une rapide déclinaison de la diversité, tandis qu'un taux trop élevé stabilise le système.

#Implications des Résultats

Les résultats de notre étude suggèrent que le THG est essentiel pour maintenir la diversité des gènes de défense au sein des communautés microbiennes. Même si des souches bactériennes individuelles n'existent que pour une période limitée, l'échange continu de matériel génétique permet aux systèmes de défense de persister au fil du temps. Cela signifie que les populations microbiennes peuvent s'adapter aux pressions phagiques changeantes grâce au transfert de gènes, leur permettant de survivre et de prospérer malgré une forte compétition.

Notre travail compare les dynamiques du transfert de gènes avec des modèles écologiques établis, révélant que les gènes peuvent se déplacer entre les organismes d'une manière similaire à celle dont les espèces migrent entre les îles. Cela souligne l'importance de considérer les processus d'échange de gènes pour comprendre les communautés microbiennes.

#Conclusion

En conclusion, cette étude éclaire les interactions complexes entre les bactéries et les phages, en soulignant le rôle du transfert horizontal de gènes dans le maintien de la diversité microbienne. En développant un modèle qui intègre divers systèmes de défense et leurs dynamiques, on offre des perspectives sur la façon dont ces minuscules organismes coexistent et évoluent au fil du temps. La recherche continue dans ce domaine a des implications importantes pour comprendre l'écologie microbienne et le développement de stratégies pour gérer les infections bactériennes.