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Une symbiose entre le microbiote intestinal et son hôte

Par Anne Florimond, publié le 03/05/2019, mise à jour le 03/09/2019
Dans le nouveau programme de Seconde, le microbiote permet d'illustrer la notion de symbiose. On propose ici d'exploiter un modèle numérique de microbiote intestinal pour identifier les bénéfices réciproques résultant des interactions entre le microbiote et l'organisme qui l'héberge.
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.

L'activité proposée dans cette page reprend la trame de celle déjà publiée sur ce site pour le cycle 4, mais en laissant une plus large part à l'autonomie des élèves et à la démarche d'investigation.
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.

  • Les ressources pour cette activité :

- microbiote_symbiose : un modèle numérique de microbiote, adapté à l'étude de la symbiose entre le microbiote intestinal et son hôte, à exploiter avec le logiciel NetBioDyn

FOCUS TECHNIQUE : LE LOGICIEL NETBIODYN
  • Nous conseillons la version hors-ligne, à télécharger ici

TRES IMPORTANT : Il faut dézipper le kit et ouvrir BioDyn_Applet.jar (qui est associé à un fichier License.txt) indispensable à son fonctionnement). Il faut vraiment qu’il y ait tout le contenu du kit pour que le programme fonctionne

  • Si vous êtes néophyte, utiliser ce tutoriel pour ouvrir un modèle et le faire fonctionner. C'est suffisant pour utiliser le modèle de microbiote intestinal adapté à l'étude de la symbiose .
  • Si vous voulez apporter des modifications à un modèle ou créer vos propres modèle, utiliser cet autre tutoriel.

- une page descriptive du modèle, qui présente les entités du modèle en relation avec la composition réelle du microbiote intestinal. 

  • Recherche à mener :

Selon Wikipedia, la symbiose est définie comme « une association intime et durable, à bénéfice réciproque, entre deux organismes hétérospécifiques (= appartenant à des espèces différentes) ».

En menant les simulations adéquates avec le modèle proposé, démontrer que l’association entre l’homme et le microbiote intestinal qu’il héberge correspond bien à une symbiose.

  • Un remue-méninges avec les élèves avant d'utiliser le modèle

Le panel du modèle montre deux types d'entités (les nutriments et les bactéries pathogènes) qui permettent d'imaginer des hypothèses quant aux bénéfices réciproques de l'association entre l'homme et le microbiote intestinal :

Deux exemples d'hypothèses :

(1) Les bactéries du microbiote intestinal se nourrissent de ce que nous digérons.

(2) Les bactéries du microbiote intestinal nous protègent contre les bactéries pathogènes.

Pour tester la première hypothèse, il faudra faire varier la quantité de nutriments présents dans l'intestin et observer les conséquences sur les effectifs des communautés bactériennes du microbiote.

Pour tester la deuxième hypothèse, il faudra introduire des bactéries pathogènes dans l'intestin sous deux conditions différentes d'effectifs de microbiote, et observer les conséquences sur les effectifs des bactéries pathogènes.

  • Des exemples de simulations :
  1. Pour montrer un bénéfice que l'hôte procure au microbiote qu'il héberge :

Simulation

Résultat

Les entités en bleu, magenta et violet (et les courbes correspondantes à droite) représentent trois groupes bactériens du microbiote (et leur effectif à droite). Voir la page descriptive du modèle pour plus de précisions.

 

 

 

Simulation témoin avec les effectifs de nutriments proposés par défaut

 

Résultat à t= 1000 tics et variation des effectifs du microbiote entre t=0 et t=1000 tics.

 

 

 

Simulation avec retrait à t = 300 tics de la moitié des nutriments présents dans l'intestin

  Résultat à t= 1000 tics et variation des effectifs du microbiote entre t=0 et t=1000 tics

Exploitation :

La corrélation entre les effectifs du microbiote et la quantité de nutriments présents dans l'intestin est bien visible. Avec deux fois moins de "nutriments" dans l'intestin, les effectifs du microbiote déclinent pour les trois phyla. Les bactéries du microbiote intestinal tirent donc profit du contenu intestinal issu de l'alimentation de leur hôte.

Remarque : une activité sur l'influence de l'alimentation sur le microbiote (influence des fibres) permettra dans un deuxième temps de nuancer ce propos.

 

2. Pour montrer un bénéfice que les bactéries du microbiote procurent à leur hôte :

Simulation Résultat

Simulation témoin avec les effectifs des bactéries du microbiote proposés par défaut.

Introduction de 10 bactéries pathogènes dans la partie antérieure de l'intestin à t=300 tics

Simulation avec deux fois moins de bactéries dans le microbiote

Introduction de 10 bactéries pathogènes dans la partie antérieure de l'intestin à t=300 tics

Exploitation :

On observe que les bactéries pathogènes se multiplient d'autant plus que les bactéries du microbiote sont peu nombreuses. Un raisonnement est donc possible sur l'occupation de l'espace par les bactéries du microbiote (bien visible en comparant les deux images de l'intestin modélisé), qui empêchent d'autres bactéries, plus virulentes, de s'y installer. 

D'autre part, l'information donnée par le clic droit sur une entité inconnue -apparue lors de la simulation- suggère que les bactéries du microbiote sécrètent des substances bactéricides efficaces contre certaines bactéries :

 

 

NB : Les publications scientifique stipulent que le microbiote produit des bactériocines et précisent qu'il est capable de stimuler la production de peptides antimicrobiens par les cellules épithéliales. De plus, il favorise le bon fonctionnement des jonctions serrées entre les cellules épithéliales, ce qui diminue l’invasion par des bactéries pathogènes
-->  Voir un point scientifique à ce propos, sur ce site, autour du concept d'ante-immunité

A la fin de cette activité, rien n'interdit d'observer l'algorithme du modèle !  On y accède grace au bouton Export  modele :

On découvre ainsi toute la suite d'instructions permettant de faire tourner le modèle :

 

De cette manière, on se prépare à l'activité suivante, portant sur les variations de la composition du microbiote, activité au cours de laquelle les élèves seront invités à modifer l'algorithme d'un modèle.

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Voir une sitographie sur le microbiote

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