Chez les animaux, une faible diversité du microbiote intestinal est souvent associée à des symptômes délétères. Dans un article publié dans Communications Biology, Florence Banspet et son équipe révèlent comment l’apport renouvelé de microbes par l’alimentation peut aider à maintenir une diversité élevée, et donc, une meilleure santé. Cette découverte permet de mieux comprendre l’importance de la composante microbienne de l’alimentation, et d’envisager l’optimisation de traitements probiotiques.
Les microbes dans l’alimentation pour maintenir la diversité
Dans le tube digestif, une multitude de microbes participent aux processus biochimiques fondamentaux à la physiologie de l’hôte. La composition de cette communauté microbienne dépend de nombreux facteurs, dont l’alimentation. Or les aliments ne contiennent pas que des nutriments ! Ils contiennent aussi des micro-organismes vivants. Certains atteignent les intestins, où ils peuvent interagir avec la flore intestinale résidente et en modifier l’équilibre. Une question importante se pose alors : peut-on optimiser l’apport microbien de manière à favoriser un microbiote intestinal sain pour l’hôte ?
Déterminer la dose optimale
La composition de la communauté microbienne intestinale est dynamique. Les microbes présents peuvent se multiplier, tandis que d’autres peuvent mourir sous l’action du système immunitaire ou sous l’effet de la compétition avec d’autres microbes. Elle est aussi influencée par un flux entrant (les microbes ingérés qui ont survécu à l’acidité de l’estomac) et un flux sortant (éliminés dans les selles). Pour modéliser ces phénomènes, les scientifiques utilisent un système d’équations dynamiques couplées, paramétrées grâce aux données de la littérature scientifique. A partir de ces équations, les scientifiques déterminent la diversité moyenne attendue en fonction des différents paramètres dynamiques (naissance, compétition, mort, flux entrant et sortant) et des caractéristiques alimentaires (nombres de microbes ingérés et composition microbienne).
Ces travaux, publiés dans la revue Communications Biology, révèlent plusieurs découvertes importantes :
- Le moment où l’on consomme les microbes importe peu : les prendre en une fois ou en plusieurs fois dans la journée revient au même. Ce qui compte surtout, c’est la quantité totale ingérée.
- Dès que le nombre de types de microbes dans le système dépasse une vingtaine, il existe quasiment toujours une stratégie d’alimentation qui permet de maximiser la diversité de la communauté dans l’hôte.
- Lorsque le nombre de types de microbes devient très important, la diversité maximale atteinte dans l’hôte correspond alors à celle de l’alimentation et la quantité de microbes ingérée se rapproche de la quantité de ceux qui sont éliminés.
Ces résultats sont robustes à plusieurs variantes du modèle, et les ordres de grandeurs trouvés sont cohérents pour de petits animaux simples tels que la mouche drosophile ou le vers C. elegans. Pour l’applicabilité à l’humain, des extensions du modèle devront être considérées, afin de prendre en compte des interactions plus complexes entre les microbes et l’hôte. Cette recherche constitue une première étape vers le contrôle du microbiote intestinal par l’alimentation, à des fins thérapeutiques.
In animals, low diversity of the intestinal microbiota is often associated with harmful symptoms. In an article published in Communications Biology, Florence Bansept and her team reveal how the renewed intake of microbes through diet can help maintain high diversity and, therefore, better health. This discovery improves our understanding of the importance of the microbial component of food and opens the way to optimizing probiotic treatments.
Microbes in food to maintain diversity
In the digestive tract, a multitude of microbes take part in biochemical processes that are fundamental to the host’s physiology. The composition of this microbial community depends on many factors, including diet. However, food does not only contain nutrients—it also contains living microorganisms. Some of these reach the intestines, where they can interact with the resident gut flora and alter its balance. An important question then arises: can microbial intake be optimized in order to promote a healthy gut microbiota for the host?
Determining the optimal dose
The composition of the intestinal microbial community is dynamic. The microbes present can multiply, while others may die due to the immune system or competition with other microbes. It is also influenced by an incoming flow (ingested microbes that survive stomach acidity) and an outgoing flow (eliminated in feces). To model these processes, scientists use a system of coupled dynamic equations, parameterized using data from the scientific literature. From these equations, they determine the expected average diversity based on different dynamic parameters (birth, competition, death, incoming and outgoing flows) and dietary characteristics (number of ingested microbes and microbial composition).
This work, published in Communications Biology, highlights several important findings:
- The timing of microbial intake matters little: consuming them all at once or spread throughout the day leads to the same result. What matters most is the total quantity ingested.
- As soon as the number of microbial types in the system exceeds around twenty, there is almost always a dietary strategy that can maximize the diversity of the host’s microbial community.
- When the number of microbial types becomes very large, the maximum diversity reached in the host matches that of the diet, and the number of microbes ingested approaches the number eliminated.
These results are robust across several variations of the model, and the orders of magnitude obtained are consistent for simple small animals such as the fruit fly (Drosophila) or the worm C. elegans. For applicability to humans, extensions of the model will be needed to account for more complex interactions between microbes and the host. This research represents a first step toward controlling the gut microbiota through diet for therapeutic purposes.
Figure : L’ingestion de microbes par l’alimentation permet le maintien de la diversité du microbiote intestinal. A gauche, schéma du modèle mathématique, avec une souris pour exemple d’hôte : pour faciliter la visualisation, deux types de microbes seulement sont représentés. Ils sont ingérés avec une certaine proportion à intervalles fixes. Dans l’intestin, ils subissent des processus de multiplication, de mort et d’élimination. A droite, dynamiques temporelles des nombres de microbes : sans microbe dans l’alimentation, le type 2 est perdu. L’alimentation permet d’éviter son extinction et de maintenir la diversité à un niveau élevé.
Figure: The ingestion of microbes through diet helps maintain the diversity of the gut microbiota. On the left, a schematic of the mathematical model is shown, using a mouse as an example host: for visualization purposes, only two types of microbes are represented. They are ingested in a given proportion at regular intervals. In the intestine, they undergo processes of growth, death, and elimination. On the right, the temporal dynamics of microbial populations are shown: without microbes in the diet, type 2 is lost. Dietary intake prevents its extinction and helps maintain diversity at a high level.