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Les variations de la composition du microbiote

Par Anne Florimond, publié le 03/05/2019, mise à jour le 03/09/2019
Le nouveau programme de Seconde met l'accent sur deux facteurs susceptibles d'entrainer une évolution de la composition du microbiote : la prise d'antibiotiques et l'alimentation plus ou moins riche en fibres. On propose ici de travailler sur ces deux facteurs en impliquant les élèves dans la construction de modèles. L'étude de l'influence des fibres alimentaires sera l'occasion d'aborder la fonction digestive du microbiote.
Extrait du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019 :

CONNAISSANCES

Le microbiote humain représente l’ensemble des microorganismes qui vit sur et dans le corps humain.

Les interactions entre hôte et microbiote jouent un rôle essentiel pour le maintien de la santé et du bien-être de l’hôte. La composition en microorganismes et la diversité du microbiote sont des indicateurs de santé.

Le microbiote se met en place dès la naissance et évolue en fonction de différents facteurs comme l’alimentation (présence de fibres) ou les traitements antibiotiques.

Le microbiote intestinal a un rôle indispensable dans l’immunité et dans la digestion. Certaines bactéries ont des propriétés anti-inflammatoires. Les travaux sur le microbiote établissent des corrélations entre des compositions du microbiote et des pathologies. La modulation du microbiote ouvre des pistes de traitement dans certains cas de maladies.

Certains microorganismes normalement bénins du microbiote peuvent devenir pathogènes pour l’organisme notamment en cas d’affaiblissement du système immunitaire.

Notions fondamentales : symbiose ; hôte et microbiote ; unicité et diversité du microbiote ; habitudes alimentaires et évolution du microbiote ; microbiote maternel et construction de la symbiose hôte-microbiote ; compétition entre microbes.

Les activités proposées dans cette page cherche à modéliser, à l'aide du logiciel de simulation/modélisation numérique NetBioDyn, l'évolution du microbiote en fonction de deux facteurs :

- l'alimentation (présence de fibres)

- les traitements antibiotiques

Pour chaque activité, une version simplifiée en termes de manipulation des simulations est proposée, permettant de réaliser une différenciation pédagogique en fonction de l'aisance des élèves face à ce genre d'outils numériques.


Une proposition d'activité autour de l'influence de l'alimentation (présence de fibres) sur le microbiote

Pour éviter que le modèle NetBioDyn ne soit une boîte noire, on implique les élèves dans sa construction. À partir d'un pré-modèle numérique fourni, il s'agira de mettre au point un algorithme rendant compte du bienfait des fibres alimentaires sur le microbiote.

  • Quelques lectures à recommander aux élèves avant la séance :
 
Fibres et évolution du microbiote :

« Les fibres alimentaires enrichissent le microbiote intestinal » (article INRA grand public) : http://www.inra.fr/Grand-public/Alimentation-et-sante/Toutes-les-actualites/Fibres-alimentaires-et-microbiote-intestinal

Cet article relate les résultats d'une expérience menée par des chercheurs de l'INRA sur une cohorte d'étudiants en bonne santé, dont le microbiote est initialement plus ou moins riche, et qui se voient soumis à une régime alimentaire comportant une plus ou moins grande quantité de fibres.

Conseil : pour préparer la modélisation à venir, demander aux élèves de résumer l'expérimentation (protocole et résultats) menée chez les étudiants

 
Fibres et microbiote : les effets sur le « très » long terme :

Cet article, à lire pour sa partie "Que sont les fibres ?", fait le point sur les fibres  alimentaires : une diversité de molécules non digérées par l'homme et présentes dans un certain nombre aliments d'origine végétale.

Conseil : pour préparer la modélisation à venir, demander aux élèves de constituer, à partir de cet article, une liste d'exemples d'aliments riches en fibres et d'autres pauvres en fibres.

  • Eventuellement, un QCM pour tester, en début de séance, la compréhension de ce qui était à lire avant la séance (voir le corrigé de ce QCM) :

Pour chaque proposition, choisir la (les) réponses(s) exacte(s).

1. Une  alimentation riche en fibres :

a) appauvrit la composition du microbiote

b) enrichit la composition du microbiote

c) est sans effet sur le microbiote des personnes obèses

d) est sans effet sur le microbiote des étudiants

2. Les fibres alimentaires exploitées par les bactéries du microbiote :

a) les aident à détruire le mucus qui tapisse l’épithélium intestinal

b) leur fournissent de l’énergie

c) préservent indirectement l’étanchéité de l’épithélium intestinal

3. L’apport alimentaire en fibres est :

a) plus important dans les civilisations modernes qu’autrefois

b) favorisé par la consommation de viande fibreuse comme la bavette.

c) favorisé par la consommation de fruits, légumes et céréales car ils contiennent de l’amidon

d) favorisé par la consommation de fruits, légumes et céréales car ils contiennent des molécules de la paroi des cellules végétales

  • Deux ressources à utiliser pendant la séance :

- un document scientifique précisant la fonction digestive du microbiote. On y trouvera en particulier des détails sur les réactions de fermentation exercées par les bactéries du microbiote du côlon (microbiote colique). 

- un pré-modèle numérique de l'expérimentation de l'INRA, contenant les bactéries du microbiote ainsi que différents résidus d’aliments possibles (il est possible d'en rajouter1!), mais ne refermant aucune équation. Voir la description de ce pré-modèle.

NB : Qu'il sagisse de faire tourner un modèle (= simulation) ou de le construire (= modélisation), on utilise le même logiciel. Pour ouvrir un modèle et le faire fonctionner, utiliser ce tutoriel. Pour apporter des modifications à un modèle voire créer un modèle de novo, utiliser cet autre tutoriel.

  •   Mise en situation et ressource à produire :

"Manger 5 fruits et légumes par jour" est la recommandation que répètent les nutritionnistes. Examinons ce qui se cache derrière cette phrase !

À l’aide du document scientifique fourni et de l’expérimentation menée par l’INRA sur une cohorte d’étudiants soumis à un régime plus ou moins riche en fibres, construire un modèle numérique rendant compte des bienfaits d’une alimentation riche en fibres sur l’évolution du microbiote.

  •  Initiation du travail avec les élèves :

- L'étude de l'INRA menée sur les étudiants mis au régime nous indique que :

• l'analyse du microbiote, faite avant la mise au régime, montre la pauvreté du microbiote des étudiants consommant peu de fibres et la richesse de celui des étudiants ayant l'habitude de consommer beaucoup de fibres ;
• à la suite d'un régime plus ou moins riche en fibres, on assiste à une augmentation de la richesse du microbiote des étudiants, proportionnellement à la quantité de fibres absorbées.

- A l'ouverture du pré-modèle, on découvre les entités participant à la modélisation, dont différents résidus alimentaires (les élèves doivent, d'après les lectures préliminaires, pouvoir dire s'il sont ou non riches en fibres) :

- A l'ouverture de l'algorithme (fonction "Export modèle"), on découvre qu'aucune équation d'utilisation de résidu de digestion par les bactéries n'est paramétrée. Ce sera aux élèves de les rajouter :

- Dans le document scientifique sur la fonction digestive du microbiote, on retient que "La partie non digérée - en particulier les fibres alimentaires- se retrouve dans le côlon, où le microbiote colique entre en action. Des réactions de fermentation portant sur ces glucides et protides permettent aux bactéries d’obtenir l’énergie nécessaire à leur croissance et entrainent de ce fait la production d’une diversité de nutriments qui sont absorbés et utilisés par l’hôte". Les élèves doivent donc utiliser cette information pour écrire les équations de comportement des bactéries du microbiote qui rencontrent, dans l'intestin, des résidus alimentaires riches en fibres.

- Il reste à donner quelques indications techniques :

  • L’algorithme, visible grâce à l’onglet « Export modèle », peut être modifié avec les fonctionnalités « entités » et « comportements ».
  • Dans un modèle, chaque entité (= chaque acteur) est définie par sa mobilité et sa demi-vie. La demi-vie d’une entité est la durée après laquelle la moitié de la population de cette entité a disparu.
  • Une équation de comportement s’écrit comme une réaction chimique : les réactifs en amont et les produits en aval.
  • Pour éviter l’encombrement rapide de l’environnement par de trop nombreuses entités, on évite de donner une probabilité trop forte à un comportement de reproduction (éviter les valeurs supérieures à 0,1).
  • Une fois le modèle créé, ne pas oublier de le tester (= il faut bien garder en tête qu'on modélise l'expérimentation de l'INRA !) pour l'éprouver :

- faire manger peu de fibres à un étudiant dont le microbiote est initialement pauvre ;

- faire manger beaucoup de fibres à un étudiant dont le microbiote est initialement pauvre ;

- faire manger des fibres à un étudiant dont le microbiote est initialement riche ;

- penser à renouveler les prises alimentaires.

C'est parti !

►Voir un exemple d'algorithme modifié

►Voir des productions d'élèves ayant expérimenté cette activité

Remarques :

1. La modélisation proposée a ses limites : on montre ici que l'effectif de chaque groupe bactérien augmente avec un régime riche en fibres, sans montrer que la diversité spécifique augmente. Les scientifiques, eux, lorsqu'ils parlent de "richesse" à propos du microbiote, estiment en fait la diversité des groupes présents (richesse qualitative), quelle que soit l'abondance de chaque groupe (richesse quantitative). 

2. En plus d'avoir été testée de manière anticipée dans une classe de Seconde (lycée Richelieu, Rueil-Malmaison (92)) au titre d'expérimentation pédagogique, cette démarche a été présentée :

- lors de la formation hybride  "La pédagogie du modèle en SVT au lycée" (PAF académie de Versailles) en février 2019 ;

- lors de la formation "Sciences, santé et société : microbes et microbiote" (PAF de l'académie d'Amiens) construite et animée par le GT "Immunité et vaccination" en mars 2019.

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Une proposition d'activité autour de l'influence de la prise d'antibiOTiques sur le microbiote

La piste pédagogique retenue ici est la recherche, à l'aide de connaissances scientifiques établies, de l'algorithme adéquat pour rendre compte de l'influence des antibiotiques sur l'évolution du microbiote.

  • Ressources fournies  :

 

 

Ressource scientifique
 

- Des études menées par les scientifiques ont permis d'observer que les traitements antibiotiques provoquent une détérioration du microbiote intestinal. Les effectifs du microbiote peuvent atteindre des seuils très bas à la suite du traitement. Cependant, une fois le traitement antibiotique terminé, le patient retrouve un microbiote similaire à celui d'avant le traitement.

- Les publications scientifiques sur le microbiote soulignent ce phénomène de résilience, c’est-à-dire le retour à l’équilibre après un événement perturbateur (comme ici la prise d’antibiotique). Néanmoins, une succession de déséquilibres transitoires peut avoir des conséquences néfastes avec parfois la nécessité de recourir à une greffe de microbiote.

Ressource numérique Un modèle simple de microbiote intestinal (il s'agit du même modèle que celui utilisé pour cosntruire la notion de symbiose entre le microbiote et son hôte. Voir la description de ce modèle).
  • Enoncé du travail :
Modifier l’algorithme du modèle simple de microbiote intestinal afin d’intégrer l’influence connue des antibiotiques sur la variation de sa composition
  • Initiation du travail avec les élèves :

À l'ouverture de l'algorithme (fonction "Export modèle"), on découvre qu'il manque l'entité "antibiotique" ainsi que les comportements correspondant à l'action des antibiotiques sur les bactéries du microbiote.

Voir un exemple d'algorithme modifié

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