En cultivant des virus bactériophages à bord de la Station spatiale internationale (ISS), des chercheurs ont découvert qu’ils ont évolué pour infecter plus efficacement leurs hôtes. La microgravité perturbe notamment la dynamique de leurs interactions avec les bactéries et leur capacité à les infecter, les contraignant à muter en développant des stratégies d’infection plus efficaces. Ces observations pourraient ouvrir de nouvelles pistes de recherche thérapeutique pour traiter les infections antibiorésistantes.
Les interactions entre les virus bactériophages (ou phages) et leurs hôtes jouent un rôle déterminant dans la structure des écosystèmes microbiens, autant dans les organismes vivants que dans l’environnement. Ces interactions constituent notamment un moteur de diversité et d’évolution, à la fois chez les phages et chez leurs proies.
Les interactions entre phages et hôtes sont déterminées par différents facteurs tels que la compatibilité moléculaire (entre ligands et récepteurs), les propriétés des fluides leur servant de substrat, les nutriments, ainsi que leurs physiologies sous-jacentes. Mais si ces interactions sont largement étudiées dans les écosystèmes terrestres, elles restent encore peu explorées dans l’espace ou dans des conditions de microgravité.
L’étude de ces interactions en microgravité pourrait notamment mettre au jour de nouveaux mécanismes potentiellement utiles pour le développement de traitements, aussi bien dans l’espace — pour les astronautes — que sur Terre. Une récente étude menée à bord de l’ISS par des chercheurs de l’Université du Wisconsin-Madison met en lumière l’un de ces mécanismes, en décrivant plus en détail la dynamique de contact phage-hôte en microgravité.
« Si nous parvenons à comprendre comment les phages modifient leur patrimoine génétique pour s’adapter à la microgravité, nous pourrons appliquer ces connaissances à des expériences sur des bactéries résistantes », a expliqué Nicol Caplin, ancienne astrobiologiste à l’Agence spatiale européenne (ESA), qui n’a pas participé à l’étude, à Live Science. « Cela pourrait constituer un pas en avant important dans la course à l’optimisation des antibiotiques sur Terre », a-t-elle ajouté.
La microgravité, un laboratoire naturel encore peu exploré
Des travaux antérieurs ont montré que la microgravité modifie le processus de transport physique et les états physiologiques permettant aux phages d’infecter les bactéries. Ces virus se diffusent généralement de manière aléatoire dans leur substrat jusqu’à entrer en collision avec une cellule bactérienne à infecter. Autrement dit, ils ne se déplacent pas à proprement parler, mais s’appuient sur les forces régissant les milieux liquides au sein desquels ils se trouvent pour entrer en contact avec leurs hôtes.
Sous gravité terrestre, ce processus est amplifié par la convection naturelle. La flottabilité, qui dépend de la densité et de la température, induit la circulation du fluide, et la sédimentation des particules présentes dans ce fluide — sous l’effet de la gravité — redistribue la répartition des phages. En microgravité, en revanche, les matériaux de densité différente ne se séparent pas et les courants de convection induits par la gravité ne se forment plus, entravant ainsi la mobilité des phages.
D’un autre côté, il a été démontré que la microgravité induit de profondes modifications dans la physiologie des bactéries, un effet qui se répercute directement sur leur régulation génique et leur métabolisme. De nombreuses études ont également montré que cette condition favorise la formation de biofilms et, dans certains contextes expérimentaux, accélère le métabolisme, tandis que la réduction du brassage des substrats entrave l’élimination des déchets métaboliques.
S’appuyant sur ces observations, l’équipe de la nouvelle étude a avancé l’hypothèse selon laquelle les interactions phage-hôte en microgravité seraient ralenties, car les fluides s’y mélangent moins bien que sous gravité terrestre. Pour explorer cette hypothèse, « nous avons examiné l’influence de la microgravité sur les interactions entre le bactériophage T7 et la bactérie non mobile Escherichia coli BL21 à bord de la Station spatiale internationale (ISS) », écrivent les chercheurs dans leur étude publiée le 13 janvier dans la revue PLOS Biology.
Un ensemble de populations de phages et de bactéries a été incubé à bord de la station, tandis que des groupes témoins étaient cultivés dans un laboratoire sur Terre. Les analyses des deux populations ont montré que la microgravité modifiait de manière significative la manière dont les bactéries et les phages entrent en contact et interagissent.
Dispositif expérimental pour évaluer les interactions en microgravité à bord de l’ISS. © Huss et al.Une coévolution accélérée sous contrainte
Si les phages étaient toujours capables d’infecter les bactéries en microgravité, le processus s’avérait plus long que dans les échantillons terrestres. « Cette nouvelle étude confirme notre hypothèse et nos attentes », a indiqué Srivatsan Raman, auteur principal de l’étude et professeur agrégé au département de biochimie de l’Université du Wisconsin-Madison, à Live Science.
Afin de s’adapter à cette condition, les phages ont évolué de sorte à accumuler de nombreuses nouvelles mutations — absentes des souches cultivées sur Terre — susceptibles d’améliorer la liaison aux récepteurs bactériens et, par extension, leur capacité à infecter. De leur côté, les bactéries se sont elles aussi adaptées, en acquérant des mutations favorisant leur adaptation à la microgravité et leur permettant de contrer la prédation par les phages.
En outre, lorsque les phages ont été rapatriés sur Terre pour être analysés et testés, ils présentaient des modifications spécifiques à l’espace dans leur protéine de liaison aux récepteurs bactériens. Ces modifications ont entraîné une capacité d’infection accrue contre des souches d’E. coli généralement résistantes aux phages T7.
Ces résultats suggèrent que la microgravité pourrait, à terme, contribuer à améliorer les phagothérapies, une alternative qui suscite un intérêt croissant dans le contexte actuel de hausse des infections résistantes aux antibiotiques. Il convient toutefois de tenir compte des coûts liés à l’envoi de phages dans l’espace afin de les conditionner, ou à la simulation de la microgravité sur Terre pour améliorer leur efficacité. Néanmoins, des phagothérapies spécifiques à l’espace pourraient également être envisagées pour les astronautes lors de missions de longue durée ou de séjours prolongés à bord de l’ISS.