Des chercheurs de l’École de médecine de l’Université de Californie à San Diego et de l’École d’ingénierie Jacobs, avec des collègues du Baylor College of Medicine, ont utilisé une approche de biologie systémique pour analyser la diversité génétique de Clostridioides difficile, un agent pathogène particulièrement problématique dans les établissements de soins de santé.
Les Centers for Disease Control estiment que la bactérie provoque environ 500 000 infections aux États-Unis chaque année, avec une diarrhée sévère et une colite (inflammation du côlon) comme symptômes caractéristiques.
Les découvertes des chercheurs sont publiées dans le numéro en ligne du 27 avril 2022 de PNAS.
C. difficile est la principale cause d’infections nosocomiales, en partie à cause de l’utilisation d’antibiotiques, qui peuvent tuer suffisamment de bactéries saines pour permettre à C. difficile de se développer sans contrôle. Les infections sont particulièrement dangereuses chez les personnes âgées. Une personne sur 11 âgée de plus de 65 ans qui reçoit un diagnostic de cas de C. difficile associé à l’hôpital décède dans un délai d’un mois, rapporte le CDC.
« C. diff est persistant et omniprésent », a déclaré l’auteur principal Jonathan M. Monk, Ph.D., chercheur au sein du groupe de recherche sur la biologie des systèmes à l’UC San Diego, dirigé par Bernhard O. Palsson, Ph.D., professeur de bioingénierie et professeur auxiliaire à la faculté de médecine de l’UC San Diego. « Cela ne provoque pas de diarrhée typique. La plupart des gens se rétablissent, mais certains tombent gravement malades, doivent être hospitalisés et certains meurent de complications comme une insuffisance rénale ou une septicémie. »
Pour mieux comprendre les caractéristiques génétiques de C. difficile et ainsi développer des modèles capables d’identifier et de prédire son évolution complexe et constante, les chercheurs ont utilisé le séquençage du génome entier, le criblage phénotypique à haut débit et la modélisation métabolique de 451 souches bactériennes.
Ces données ont été utilisées pour construire un « pangénome » ou un ensemble complet de gènes représentatifs de toutes les souches connues de C. difficile, à partir duquel ils ont identifié 9 924 groupes de gènes distincts, dont 2 899 étaient considérés comme centraux (présents dans toutes les souches) tandis que 7 025 étaient « accessoire » (présent dans certaines souches mais absent dans d’autres).
À l’aide d’une nouvelle méthode de typage, ils ont classé 176 groupes de souches génétiquement distincts.
« Le typage par génome accessoire permet la découverte de gènes nouvellement acquis dans les génomes d’agents pathogènes qui pourraient autrement passer inaperçus avec les méthodes de typage standard », a déclaré la co-auteur Jennifer K. Spinler, Ph.D., enseignante en pathologie et immunologie à Collège de médecine Baylor. « Cela pourrait être essentiel pour comprendre ce qui motive une épidémie et comment lutter contre sa propagation. »
Trente-cinq souches représentant l’ensemble global ont été expérimentalement profilées avec 95 sources de nutriments différentes, révélant 26 profils de croissance distincts. L’équipe a ensuite construit 451 modèles de métabolisme à l’échelle du génome spécifiques à la souche pour produire par ordinateur la diversité phénotypique dans 28 864 conditions uniques. Les modèles ont pu prédire correctement la croissance dans 76 % des cas mesurés.
« L’un des points forts du travail présenté est la cohésion de types de données biologiques distincts dans des cadres de biologie des systèmes complets qui permettent une analyse à grande échelle », a déclaré le premier auteur Charles J. Norsigian, Ph.D., scientifique des données au Systems Biology Research. Grouper. « En interprétant les souches de C. difficile dans un contexte de population, nous avons pu mettre en lumière des caractéristiques de souche pertinentes concernant la niche nutritive, les facteurs de virulence et les déterminants de la résistance aux antimicrobiens qui auraient autrement pu passer inaperçus.
Les co-auteurs incluent Bernhard O. Palsson, UC San Diego ; Heather A. Danhof, Colleen K. Brand, Firas S. Midani, Robert A. Britton et Tor C. Savidge, Baylor College of Medicine ; et Jared T. Broddrick et Jennifer K. Spinier, NASA Ames Research Center.
Charles J. Norsigian et al, L’approche de la biologie des systèmes pour évaluer fonctionnellement le pangénome de Clostridioides difficile révèle une diversité génétique avec un pouvoir discriminatoire, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2119396119