Des ingénieurs trouvent un moyen de protéger les microbes des conditions extrêmes

Les microbes utilisés dans le domaine de la santé, de l’agriculture ou dans d’autres applications doivent être capables de résister à des conditions extrêmes, et idéalement aux processus de fabrication utilisés pour fabriquer des comprimés destinés à être stockés à long terme. Des chercheurs du MIT ont maintenant mis au point une nouvelle méthode permettant de rendre les microbes suffisamment résistants pour résister à ces conditions extrêmes.

Leur méthode consiste à mélanger des bactéries avec des additifs alimentaires et pharmaceutiques issus d’une liste de composés que la FDA classe comme « généralement considérés comme sûrs ». Les chercheurs ont identifié des formulations qui aident à stabiliser plusieurs types de microbes différents, notamment les levures et les bactéries, et ils ont montré que ces formulations pouvaient résister à des températures élevées, aux radiations et aux traitements industriels qui peuvent endommager les microbes non protégés.

Dans un test encore plus extrême, certains microbes sont récemment revenus d’un voyage vers la Station spatiale internationale, coordonné par Phyllis Friello, responsable des sciences et de la recherche au Centre spatial de Houston, et les chercheurs analysent maintenant dans quelle mesure les microbes ont pu résister à ces conditions.

« Ce projet avait pour but de stabiliser les organismes dans des conditions extrêmes. Nous envisageons un large éventail d’applications, qu’il s’agisse de missions spatiales, d’applications humaines ou d’utilisations agricoles », explique Giovanni Traverso, professeur associé de génie mécanique au MIT, gastro-entérologue au Brigham and Women’s Hospital et auteur principal de l’étude.

Miguel Jimenez, ancien chercheur scientifique du MIT qui est maintenant professeur adjoint d’ingénierie biomédicale à l’Université de Boston, est l’auteur principal de l’article, qui paraît dans Matériaux naturels.

Survivre à des conditions extrêmes

Il y a environ six ans, le laboratoire de Traverso a commencé à travailler sur de nouvelles approches pour rendre les bactéries utiles telles que les probiotiques et les thérapies microbiennes plus résistantes. Pour commencer, les chercheurs ont analysé 13 probiotiques disponibles dans le commerce et ont découvert que six de ces produits ne contenaient pas autant de bactéries vivantes que l’indiquait l’étiquette.

« Nous avons constaté, sans surprise, qu’il existe une différence, et qu’elle peut être importante », explique Traverso. « La question suivante était donc de savoir ce que nous pouvions faire pour améliorer la situation. »

Pour leurs expériences, les chercheurs ont choisi de se concentrer sur quatre microbes différents : trois bactéries et une levure. Ces microbes sont Escherichia coli Nissle 1917, un probiotique ; Ensifer meliloti, une bactérie capable de fixer l’azote dans le sol pour favoriser la croissance des plantes ; Lactobacillus plantarum, une bactérie utilisée pour fermenter les produits alimentaires ; et la levure Saccharomyces boulardii, également utilisée comme probiotique.

Lorsque des microbes sont utilisés à des fins médicales ou agricoles, ils sont généralement séchés et transformés en poudre par un procédé appelé lyophilisation. Cependant, ils ne peuvent généralement pas être transformés en comprimés ou en pilules, car ce procédé nécessite une exposition à un solvant organique, qui peut être toxique pour les bactéries. L’équipe du MIT a entrepris de trouver des additifs qui pourraient améliorer la capacité des microbes à survivre à ce type de traitement.

« Nous avons développé un flux de travail qui nous permet de prendre des matériaux de la liste des matériaux « généralement considérés comme sûrs » de la FDA, de les mélanger et de les associer à des bactéries et de nous demander s’il existe des ingrédients qui améliorent la stabilité des bactéries pendant le processus de lyophilisation ? » explique Traverso.

Leur dispositif leur permet de mélanger des microbes avec l’un des 100 ingrédients différents, puis de les cultiver pour voir lesquels survivent le mieux lorsqu’ils sont stockés à température ambiante pendant 30 jours. Ces expériences ont révélé différents ingrédients, principalement des sucres et des peptides, qui fonctionnaient le mieux pour chaque espèce de microbe.

Les chercheurs ont ensuite choisi l’un des microbes, E. coli Nissle 1917, pour une optimisation plus poussée. Ce probiotique a été utilisé pour traiter la « diarrhée du voyageur », une maladie causée par la consommation d’eau contaminée par des bactéries nocives. Les chercheurs ont découvert qu’en combinant de la caféine ou de l’extrait de levure avec un sucre appelé mélibiose, ils pouvaient créer une formulation très stable d’E. coli Nissle 1917.

Ce mélange, que les chercheurs ont appelé formulation D, a permis des taux de survie supérieurs à 10 % après que les microbes aient été stockés pendant six mois à 37 degrés Celsius, alors qu’une formulation commerciale d’E. coli Nissle 1917 a perdu toute viabilité après seulement 11 jours dans ces conditions.

La formule D a également pu résister à des niveaux de rayonnement ionisant beaucoup plus élevés, jusqu’à 1 000 grays. (La dose de rayonnement typique sur Terre est d’environ 15 micrograys par jour, et dans l’espace, elle est d’environ 200 micrograys par jour.)

Les chercheurs ne savent pas exactement comment leurs formulations protègent les bactéries, mais ils émettent l’hypothèse que les additifs pourraient aider à stabiliser les membranes cellulaires bactériennes pendant la réhydratation.

Tests de stress

Les chercheurs ont ensuite montré que ces microbes peuvent non seulement survivre à des conditions difficiles, mais qu’ils conservent également leur fonction après ces expositions. Après avoir exposé Ensifer meliloti à des températures allant jusqu’à 50 degrés Celsius, les chercheurs ont découvert qu’ils étaient toujours capables de former des nodules symbiotiques sur les racines des plantes et de convertir l’azote en ammoniac.

Ils ont également découvert que leur formulation d’E. coli Nissle 1917 était capable d’inhiber la croissance de Shigella flexneri, l’une des principales causes de décès liés à la diarrhée dans les pays à revenu faible et intermédiaire, lorsque les microbes étaient cultivés ensemble dans une boîte de laboratoire.

L’année dernière, plusieurs souches de ces microbes extrémophiles ont été envoyées à la Station spatiale internationale, ce que Jimenez décrit comme « le test de stress ultime ».

« Même le simple transport sur Terre jusqu’à la validation préalable au vol, ainsi que le stockage jusqu’au vol font partie de ce test, sans aucun contrôle de température en cours de route », explique-t-il.

Les échantillons sont récemment revenus sur Terre et le laboratoire de Jimenez les analyse actuellement. Il prévoit de comparer les échantillons conservés à l’intérieur de l’ISS à d’autres qui ont été boulonnés à l’extérieur de la station, ainsi qu’à des échantillons témoins restés sur Terre.

Les autres auteurs de l’article sont Johanna L’Heureux, Emily Kolaya, Gary Liu, Kyle Martin, Husna Ellis, Alfred Dao, Margaret Yang, Zachary Villaverde, Afeefah Khazi-Syed, Qinhao Cao, Niora Fabian, Joshua Jenkins, Nina Fitzgerald, Christina Karavasili, Benjamin Muller et James Byrne.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l’actualité de la recherche, de l’innovation et de l’enseignement du MIT.