La colimitation des nutriments est une propriété quantitative et dynamique des populations microbiennes

Contexte académique

La croissance, la physiologie et l’activité métabolique des microorganismes sont fondamentalement contrôlées par la disponibilité des ressources. Comprendre quelles ressources limitent la croissance et dans quelle mesure est non seulement un concept central en microbiologie, mais aussi utile pour prédire les contributions microbiennes aux cycles biogéochimiques, inhiber les pathogènes dans le corps humain et cultiver des microorganismes en biotechnologie. Bien que les ressources limitantes puissent être étudiées individuellement, des preuves montrent que les microorganismes peuvent être, et sont souvent, limités par plusieurs ressources simultanément, un phénomène appelé “colimitation”. Cependant, en raison du manque de mesures quantitatives de la colimitation et de tests systématiques des conditions de ressources, les données existantes sont difficiles à interpréter et à comparer. Par conséquent, les auteurs proposent l’hypothèse que les microorganismes expérimentent un continuum d’états de limitation des nutriments et que la colimitation des nutriments est courante en laboratoire et dans la nature.

Source de l’article

Cet article a été rédigé par Noelle A. Held, Aswin Krishna, Donat Crippa, Rachana Rao Batta, Alexander J. Devaux, Anastasia Dragan et Michael Manhart, affiliés respectivement à l’École polytechnique fédérale de Zurich (ETH Zurich), à l’Institut fédéral suisse des sciences et technologies de l’eau (Eawag), à l’Université de Californie du Sud (University of Southern California) et à l’Université Rutgers (Rutgers University). L’article a été publié le 18 décembre 2024 dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

Processus de recherche

1. Cadre théorique quantitatif de la colimitation des nutriments

Les auteurs ont d’abord proposé un cadre théorique quantitatif pour décrire les états continus de la colimitation des ressources et capturer comment ces états changent dynamiquement avec les conditions des ressources. Ce cadre va au-delà de la “loi du minimum” traditionnelle, selon laquelle la croissance est uniquement déterminée par la ressource la plus rare par rapport à la demande biologique. Les auteurs ont défini un “coefficient de limitation” pour quantifier le degré de limitation de chaque ressource sur le taux de croissance et introduit le “nombre effectif de processus limitants” comme mesure de la colimitation.

2. Validation expérimentale : phénomène de colimitation chez Escherichia coli

Pour valider cette théorie, les auteurs ont choisi Escherichia coli comme organisme modèle et ont étudié la colimitation du glucose et de l’ammonium sur le taux de croissance et le rendement de croissance dans des conditions de laboratoire. En balayant systématiquement différentes concentrations de glucose et d’ammonium, les auteurs ont mesuré le taux de croissance et le rendement de croissance d’E. coli et ont analysé ces données pour déterminer le degré de colimitation.

3. Analyse des données environnementales : colimitation dans les écosystèmes naturels

Pour valider davantage la prévalence de la colimitation dans la nature, les auteurs ont analysé les données de croissance microbienne dans plusieurs écosystèmes naturels. En collectant les concentrations de demi-saturation des ressources et les concentrations environnementales pour différents organismes et environnements, les auteurs ont estimé le degré de limitation de ces ressources sur la croissance microbienne et ont découvert que la colimitation est répandue chez les microorganismes marins, d’eau douce et intestinaux.

Principaux résultats

1. Phénomène de colimitation chez Escherichia coli

Les résultats expérimentaux montrent qu’E. coli présente une colimitation significative du glucose et de l’ammonium dans des conditions de laboratoire typiques (comme le milieu M9). Le taux de croissance et le rendement de croissance sont limités par différentes ressources, et le degré de colimitation varie avec les concentrations de ressources. En ajustant différents modèles de croissance, les auteurs ont découvert que les modèles de colimitation (comme le modèle de temps d’arrivée de Poisson) expliquent mieux les données expérimentales que les modèles sans colimitation (comme le modèle de Blackman).

2. Colimitation dans les écosystèmes naturels

L’analyse des données environnementales montre que de nombreux microorganismes marins présentent une colimitation significative pour des ressources comme le phosphate, le nitrate et l’ammonium. Les microorganismes d’eau douce et intestinaux présentent un degré de colimitation plus faible, mais il existe tout de même une certaine colimitation. Grâce à une analyse quantitative, les auteurs ont révélé la continuité et la prévalence de la colimitation dans la nature.

Conclusion

Cette étude propose un cadre quantitatif pour comprendre et quantifier la colimitation des nutriments chez les microorganismes dans des contextes biogéochimiques, biotechnologiques et de santé humaine. Les résultats montrent que la colimitation des nutriments est un phénomène courant dans la croissance microbienne et que son degré peut varier dynamiquement avec les conditions des ressources. Ce cadre fournit une base théorique pour les futures recherches sur la colimitation dans la nature et aide à prédire et à contrôler la croissance microbienne dans des contextes environnementaux, biotechnologiques et cliniques.

Points forts de la recherche

1. Cadre quantitatif : Un cadre théorique quantitatif a été proposé pour décrire et quantifier la colimitation des nutriments chez les microorganismes, allant au-delà de la “loi du minimum” traditionnelle.
2. Validation expérimentale : Des expériences systématiques ont validé la colimitation significative du glucose et de l’ammonium chez E. coli dans des conditions de laboratoire.
3. Analyse des données environnementales : L’analyse des données de croissance microbienne dans les écosystèmes naturels a révélé la prévalence et la continuité de la colimitation dans la nature.
4. Valeur applicative : Ce cadre fournit de nouveaux outils et méthodes pour prédire et contrôler la croissance microbienne dans des contextes environnementaux, biotechnologiques et cliniques.

Autres informations utiles

Cette étude explore également les impacts potentiels de la colimitation sur la physiologie, l’écologie et l’évolution des microorganismes, et propose des directions pour les recherches futures, notamment des balayages systématiques dans les systèmes naturels pour estimer le degré de colimitation et l’identification des mécanismes moléculaires de la colimitation. Ces recherches permettront de mieux comprendre les stratégies de croissance et de compétition des microorganismes dans la nature.