MICrobiologie de l'ALImentation au service de la Santé

Phlo est une technologie disruptive dont l’objectif est de multiplier les rendements de la bioproduction. Il s’agit d’une méthode de production qui utilise un couple phage-bactérie, c'est-à-dire un virus et son hôte. Aujourd'hui, les bactéries sont cultivées seules pour produire des molécules notamment thérapeutiques ou cosmétiques. L'ajout des phages permet une forte augmentation de la production tout en supprimant une étape d’extraction, et ce dans les équipements déjà existants. La mission de Phlo est d’aider les industriels de la bioproduction à diminuer les coûts relatifs aux molécules déjà produites, et à produire des molécules innovantes dont les rendements sont aujourd’hui insuffisants pour garantir leur viabilité économique.

Half of the protein directed towards animal feeding is wasted due to incomplete protein digestibility, and the distinct amino acid profiles found in both plants and animals. This generates serious pollution problems for our soils, aquifers, and atmosphere (e.g. livestock contribute to 87% of total ammonia emissions in agriculture). Moreover, EU faces significant challenges in providing adequate protein sources for animal feed (97% of soybean meal is imported; €1.5 billion/year). Hence, it is imperative to identify a sustainable solution for animal protein supply. SYNFEED will demonstrate that by developing a new interdisciplinary technological approach, it is possible to generate proteins that can produce a radical paradigm change in the way animals are fed, highly reducing both the environmental impact and external dependence on raw materials of the EU. Using the broiler chicken as a model, SYNFEED will i) generate new precision nutrition knowledge (proportion of amino acids to fulfil the requirements and dynamics of protein hydrolysis in the targeted species); ii) design several candidate sequences using this nutritional information by protein engineering techniques (combining AI and molecular modelling); iii) generate these candidates in cell-free systems adapted to the final host and evaluate them in a new iterative procedure maximizing expression and digestibility potential; iv) optimize the sustainable biosynthesis of the selected protein with sustainable hydrogen-oxidizing bacteria strains; v) evaluate the effectiveness of the protein in broilers (productive performance, animal health and welfare and reduction of nitrogen losses), and the sustainability of SYNFEED solution with a life cycle assessment. This ground-breaking approach will replace conventional animal feeding, positioning the EU as a leader in biosynthetic protein generation, promoting the emergence of biotech companies and reducing livestock environmental impact.

L'augmentation de la consommation de fructose a été soulignée par l'institut Anses comme un problème potentiel de santé publique au vu de nombreuses études mettant en avant l'impact de sa surconsommation sur le développement de troubles métaboliques. Néanmoins, l’effet de ce sucre sur les fonctions cérébrales et la santé mentale a été négligé malgré certaines études sur des modèles humains ou animaux suggérant un impact potentiel sur le développement de troubles de l’humeur. Sur la base de données préliminaires solides, Micro2Sweet émet l'hypothèse que le fructose modifie l'humeur par trois voies non exclusives : 1/ l'effet direct du fructose sur le cerveau ; 2/ l'action indirecte du fructose en réponse aux dysfonctionnements métaboliques et 3/ l'action indirecte par la modification du microbiote intestinal. Ces hypothèses pertinentes de notre projet de physiologie intégrative seront étudiées à l'aide d'approches complémentaires via l'analyse d'échantillons humains ou l'utilisation de modèles animaux transgéniques uniques et la réalisation d'analyses du microbiote intestinal et du comportement en plus des études de neurophysiologie.

Le microbiote intestinal constitue un écosystème complexe essentiel à la défense de l'hôte contre les infections et à la maturation du système immunitaire. Les maladies inflammatoires de l'intestin (MICI), telles que la rectocolite hémorragique et la maladie de Crohn, se caractérisent par une inflammation sévère de l'intestin, résultant d’un microbiote dérégulé et d’une réponse immunitaire inappropriée. Ces pathologies nécessitent des traitements à long terme basés sur des thérapies anti-inflammatoires et immunosuppressives, qui entraînent souvent des effets secondaires liés aux médicaments. De plus, certains patients atteints de MICI ne répondent pas bien au traitement, ce qui nécessite le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. Les pathobiontes sont actuellement étudiés pour leur rôle actif dans le développement et la sévérité des MICI. Il s'agit de bactéries présentes dans le microbiote d'individus sains sans provoquer de maladie, mais qui ont un potentiel pathogène lorsque l'environnement intestinal est perturbé. Nos recherches ont identifié un nouveau commensal potentiellement pathobionte, capable de moduler les fonctions immunitaires de l'hôte, notamment la production d'IL-22. L'objectif de ce projet est donc d'identifier les mécanismes impliqués dans cette régulation, d'évaluer l'impact sur l'inflammation intestinale et d'examiner l'effet du microbiote intestinal sur les cellules immunitaires humaines isolées chez les patients. Pour ce faire, nous utiliserons des techniques avancées d'immunologie, des approches de biochimie et de biologie synthétique, des modèles de colite chez la souris et un accès unique aux cellules et tissus de patients atteints de MICI. Cela contribuera à comprendre la physiologie intestinale et les mécanismes environnementaux impliqués dans l'inflammation intestinale et ouvrira la voie à de nouvelles approches thérapeutiques potentielles.

Il est reconnu que les interactions précoces entre le microbiome et l'hôte ont une influence majeure sur le développement de l'Holobionte et sur la santé à court et à long terme, notamment en assurant l’homéostasie métabolique et la maturation du système immunitaire de l’hôte. De plus, une altération de la primocolonisation (i.e. vagues successives des premiers microorganismes colonisant la muqueuse intestinale) a été constatée chez les bébés atteints de coliques du nourrisson, un trouble gastro-intestinal fonctionnel courant, lié à une hyperalgésie viscérale chez les bébés. Le principe d’alimentation croisée, correspondant à l’interdépendance des microorganismes entre eux pour l’apport de nutriment, est un facteur majeur de la primocolonisation. Dans le projet Cross-Tivity, nous émettons l'hypothèse que les altérations de l'alimentation croisée en début de vie entraînent des perturbations métaboliques et immunitaires chez l’hôte, conduisant à une sensibilité accrue à la douleur viscérale par des voies dépendantes du microbiote. En combinant des approches ex vivo, in vitro et in vivo, nous prévoyons de déchiffrer comment une primocolonisation altérée provoque des dysfonctionnements de la maturation de la barrière intestinale et du système neuro-immunitaire, ainsi que des réponses altérées au métabolisme énergétique et au stress cellulaire impactant la sensibilité à la douleur viscérale. Ce projet constitue donc une nouvelle stratégie pour étudier l'holobionte humain en début de vie comme une étape cruciale vers la réduction de l'impact sur la santé des altérations du microbiote en début de vie.

Plus de 20 hormones régulant la prise alimentaire et l’absorption de nutriments sont produites par cellules entéroendocrines (CEE), une population rare de l’épithélium intestinal. Différents types de CEE se distinguent par leur localisation, les hormones et les récepteurs exprimés, qui permettent la sécrétion contrôlée d’hormones spécifiques en réponse à divers stimuli. Bien que la production nécessite un apport énergétique important, le métabolisme des CEE reste peu caractérisé. Nos données préliminaires révèlent une activité métabolique spécifique dans les CEE. Les CEE rencontrant différents environnements le long du tractus digestif, les différents types de CEE pourraient dépendre de différents substrats énergétiques, et utiliser différentes voies métaboliques distinctes pour moduler leurs fonctions. Le microbiote intestinal, notamment dans l’intestin distal, influence ce métabolisme en modulant la disponibilité et production de certains substrats comme les acides gras à chaîne courte. Le projet MetabEECs vise à caractériser les spécificités métaboliques des CEE et à déterminer comment les modulations du métabolisme énergétique, comme celles induites par le microbiote intestinal, affectent les fonctions des CEE. L’analyse transcriptomique en cellules uniques, à partie des bases de données humaines et murine disponibles, ainsi que sur des CEE triées issues de souris à microbiote déplété sera couplée à la mesure de l’activité métabolique en CEE uniques de marquées. Nous analyserons également l’effet de modulations métaboliques sur les fonctions des CEE ex vivo via l’utilisation d’organoïdes murins. Ce projet permettra d’explorer et caractériser le métabolisme énergétique des CEE et son importance dans la régulation des hormones intestinales. Il ouvrira ainsi de nouvelles perspectives pour moduler les niveaux endogènes des hormones intestinales faisant du métabolisme des CEE une cible thérapeutique prometteuse dans le traitement des maladies métaboliques.

La maladie de Crohn (MC) est une maladie inflammatoire chronique de l’intestin dont la pathogénèse exacte reste inconnue. Elle est associée à la fois à des polymorphismes de certains récepteurs de l’immunité innée détectant des molécules bactériennes, et à une diminution de Faecalibacterium, une bactérie intestinale anti-inflammatoire. L'administration orale de Faecalibacterium pourrait représenter une nouvelle stratégie thérapeutique pour les patients atteints de MC. Cependant, les molécules bactériennes, les récepteurs de l'hôte et les voies de signalisation impliquées sont encore mal compris et nécessitent des recherches supplémentaires. Le but de ce projet est de définir le rôle de l’interaction entre Faecalibacterium et les récepteurs de l’hôte en conditions physiologiques et dans la MC. Pour cela, nous souhaitons (i) caractériser l’effet de différentes espèces/souches de Faecalibacterium et des constituants de leur paroi sur l’activation des récepteurs de l’immunité innée en utilisant des approches in vitro et in vivo et (ii) tester la capacité de certaines enzymes bactériennes remodelant la paroi de Faecalibacterium à générer de façon active des ligands des récepteurs de l’immunité innée. Ce projet, mené par des équipes de l’INSERM, de l’Institut Pasteur et de l’INRAe permettra d’ouvrir de nouvelles pistes thérapeutiques dans la MC, utilisant Faecalibacterium ou des constituants de sa paroi pour induire des réponses anti-inflammatoires.

Les patients critiques sont exposés à de nombreux facteurs (antibiotiques, choc, dysfonction intestinale) entraînant perte de diversité du microbiote intestinal et prolifération de bactéries multirésistantes comme les Enterobacterales. Ceci est associé à une immunité innée altérée et un risque accru d'infection secondaire. Une approche potentielle consiste à moduler cet "axe intestin-poumon" par les fibres alimentaires et production associée d'acides gras à chaîne courte (SCFA) permettant d’enrichir le microbiote/métabolome, de restaurer l'immunité et d'améliorer les pronostics. Dans un modèle préclinique, les SCFA ont rétabli la réponse immunitaire contre l’infection pulmonaire à Pseudomonas aeruginosa chez des souris colonisées par Enterobacterales multirésistantes (MRE). Des données préliminaires suggèrent qu'un régime riche en fibres a les mêmes effets. Ces résultats soulignent le potentiel des fibres alimentaires à améliorer le pronostic des infections secondaires en modulant microbiote, métabolome et réponse immunitaire. Cependant, l’utilisation et choix des fibres entérales en soins critiques ne sont actuellement pas guidés par leur potentiel modulateur du microbiote. Cette proposition vise à identifier les fibres alimentaires permettant d’atténuer l'impact de la colonisation MRE sur les infections secondaires en soins critiques. Dans une approche translationnelle, nous caractériserons les microbiotes intestinaux de patients de soins critiques colonisés par MRE qui développent des infections secondaires. Ces microbiotes seront transférés à des modèles de microfermentation et sur souris gnotobiotiques pour cribler les fibres sur les interactions fibres-microbiote. Enfin, la modélisation mathématique intégrera données cliniques et expérimentales, créant des jumeaux numériques pour simuler les pronostics patients en fonction des fibres. Cette approche orientera les essais cliniques visant à tester les fibres pour améliorer le pronostic des patients critiques.

La diversité du monde bactérien commence à être bien appréhendée, grâce aux efforts conjoints de scientifiques issus des disciplines de l'écologie, de la métagénomique et de l'informatique. Le champ connexe de l'étude des bactériophages (c'est-à-dire des virus infectant les bactéries, également appelés phages) est néanmoins en retard par rapport à ce mouvement d'ensemble, car ces communautés sont encore plus diversifiées, et la dynamique de leurs communautés est plus complexe. L'analyse des phages nécessite des outils spécialisés en raison de leurs génomes plus petits et compacts, de leurs origines anciennes, de leur évolution rapide et de leurs pressions de sélection distinctes, de sorte que les signaux d’homologie sont très faibles, et les outils existants sont souvent insuffisants pour les détecter. Comme ces phages peuvent avoir un impact considérable sur les communautés bactériennes, il est crucial de classer cette vaste diversité afin de prédire les interactions bactériennes et les rôles écologiques de ces phages. Ce projet s'attaque à un obstacle majeur de l'écologie moderne des phages : la classification taxonomique de haut niveau (famille ou ordre). Alors que les méthodes basées sur l'alignement suffisent pour identifier les genres et les sous-familles de phages, elles échouent au niveau de la famille, avec seulement 52 familles décrites à ce jour. Nous proposons que la décomposition des génomes de phages en modules génétiques coévolutifs (PGM) soit la clé d'un système de classification efficace. En testant et combinant divers niveaux de comparaison pour l'analyse phylogénétique (conservation des séquences en acides aminés, conservation structurale des protéines et conservation des orthologues positionnels), nous fournirons une solution innovante capable de d’accéder aux branches profondes de la phylogénie des phages. Nous utiliserons aussi les PGM pour améliorer l'annotation fonctionnelle des gènes, à partir des prédictions d’interactions basées sur la structure. En identifiant et en rendant accessibles nos analyses sur les modules de phages, et en développant des approches de classification innovantes, nous visons à faire progresser la recherche sur les phages, à améliorer la taxonomie et à comprendre leur impact écologique.

Le vieillissement des populations à l’échelle mondiale représente un défi économique, social et sanitaire majeur. L'alimentation est l'un des facteurs déterminants du vieillissement en bonne santé chez l'Homme. La consommation d'aliments fermentés est associée à des bénéfices santé, y compris au cours du vieillissement. Ces bénéfices sont notamment apportés par les microorganismes présents dans ces produits. L'ambition du projet MICROFOODING est de tirer parti de la diversité des souches microbiennes présentes dans les produits fermentés à base de végétaux afin de sélectionner celles qui ont le plus de potentiel pour favoriser un vieillissement en bonne santé. Nous faisons l'hypothèse que la consommation de ferments sélectionnés sur leur capacité à stimuler l'autophagie -un processus cellulaire clé conférant une protection vis-à-vis des stress liés au vieillissement- pourrait permettre de préserver l'homéostasie au cours du vieillissement. Nous sélectionnerons parmi 100 souches issues de produits fermentés les 20 qui stimulent le plus efficacement l’autophagie en utilisant une lignée cellulaire rapportrice de l’activité de ce processus. Le potentiel « anti-vieillissement » des 20 candidats sera ensuite analysé plus profondément dans 2 modèles cellulaires in vitro modélisant le dialogue de l’intestin avec les cellules immunitaires ou des organes distants affectés par le vieillissement (la rétine comme preuve de concept). Les 3 souches microbiennes les plus prometteuses seront regroupées en un cocktail et testées in vivo sur des souris d’âge moyen ou sénescentes pour confirmer leur potentiel à protéger l’organisme des altérations liés au vieillissement. Les résultats de ce projet pourront venir enrichir les connaissances pour l’élaboration (i) de recommandations nutritionnelles se basant sur la consommation d'aliments fermentés d'origine végétale contenant ces ferments (ii) de stratégies nutritionnelles préventives des maladies liées à l’âge basées sur ces ferments.

Les perturbateurs endocriniens (PE) sont des composés omniprésents dans l'alimentation, l'eau et les produits de la vie quotidienne. En interférant avec le système endocrinien et en perturbant les processus biologiques, les PE augmentent la susceptibilité aux pathologies, entraînant une charge sociale et économique considérable. Les organes reproducteurs sont vulnérables aux effets des PE. De plus, le microbiome humain intestinal est essentiel dans le maintien de l'homéostasie et héberge les principaux sites d'exposition aux PE. Des déséquilibres du microbiome intestinal ont été associés à l'exposition aux PE ainsi qu'à des troubles de la reproduction entraînant l'infertilité. De plus, le microbiome intestinal a un large répertoire enzymatique permettant de métaboliser les contaminants et peut être modifié par la nutrition, ce qui en fait une cible prometteuse pour réduire les répercussions des PE chez l'homme. Les interactions complexes entre la nutrition, les PE, le microbiome et la santé reproductive restent largement méconnues. MicroEDetox vise à étudier l'hypothèse selon laquelle les interactions entre les PE et le microbiome intestinal peuvent être influencées par des nutriments afin d'atténuer les effets des PE sur les organes reproducteurs. À travers une approche multidisciplinaire englobant la méta-omique, la culture anaérobie, la physiologie 3D, la biochimie de nouvelle génération, et les modèles in vivo, MicroEDetox vise à décrire les effets écologiques des principaux PE et de leurs mélanges sur les communautés microbiennes et à mettre en évidence les mécanismes de détoxification. En améliorant la capacité de détoxification à l'aide de nutriments fonctionnels, MicroEDetox exploitera le rôle protecteur du microbiome intestinal dans le maintien de la santé reproductive. Cette stratégie constitue une étape cruciale vers le développement d'interventions nutritionnelles axées sur le microbiome afin de réduire les troubles et les disparités en matière de santé reproductive.

La maturation de la muqueuse pulmonaire pendant la période périnatale est associée à l’établissement progressif de trois principaux constituants interconnectés : (i) l’épithélium des voies respiratoires, (ii) les cellules immunitaires et (iii) un microbiote spécifique. Cette période dynamique joue un rôle clé dans l’homéostasie pulmonaire et l’interaction ultérieure entre l’hôte et les agents pathogènes. Ainsi, les expositions périnatales aux polluants atmosphériques émergents et non réglementés, tels que les particules fines (PF, PM2.5) et ultrafines (PUF, PM0.1) émises par les véhicules à moteur, les appareils de combustion, l’industrie et les incendies d’écosystèmes, peuvent influencer le développement et la maturation des poumons des nourrissons et contribuer au développement de maladies respiratoires chroniques, comme l’asthme. Les enfants sont particulièrement vulnérables à la pollution de l’air, qui est responsable d’au moins 1 200 décès prématurés par an chez les enfants et les adolescents en Europe. À l’échelle nanométrique, les PUF peuvent être inhalées et accédés directement à la muqueuse pulmonaire, entraînant une bioaccumulation tissulaire pouvant provoquer une réponse inflammatoire et des lésions pulmonaires. Bien que les PUF constituent une part majeure de la concentration des particules présentes dans l’air ambiant, elles ne sont toujours pas réglementées malgré leurs caractéristiques potentiellement dangereuses. De plus, l’impact de l’exposition chronique des voies respiratoires aux PF ou aux PUF sur la maturation pulmonaire et la susceptibilité des nouveau-nés aux infections virales ainsi qu’au développement ultérieur de maladies respiratoires chroniques reste inexploré. Comprendre l’impact potentiel des PF et PUF sur les caractéristiques biologiques des poumons au début de la vie est essentiel. Cela pourrait mener à de nouvelles stratégies de prévention contre les agents infectieux, comme le virus respiratoire syncytial, principal agent étiologique de la bronchiolite infantile. Cette exposition pourrait également laisser une empreinte sur le tissu pulmonaire, prédisposant ainsi les individus au développement ultérieur de maladies respiratoires chroniques. Dans un contexte d’exposition croissante des organismes vivants aux PF et PUF, nous formulons l’hypothèse que l’exposome pourrait constituer une nouvelle dimension à prendre en compte pour la santé des jeunes. Grâce à une caractérisation détaillée des fractions aérosols de PF et PUF issues d’un environnement urbain et à une approche translationnelle combinant des cellules pulmonaires primaires de nourrissons humains avec des modèles animaux d’infection par le VRS ou d’asthme, le projet Air2Vi vise à étudier comment et dans quelle mesure l’exposition précoce aux PF/PUF affecte les composants de la muqueuse pulmonaire, ainsi que la susceptibilité aux infections virales, et peut prédisposer les jeunes individus au développement de maladies respiratoires chroniques. Les résultats attendus permettront de mieux caractériser la présence des PF et PUF dans l’air ambiant et de définir leur impact sur le développement et la structuration des caractéristiques des poumons au début de la vie. Ils permettront également d’évaluer leurs liens avec la vulnérabilité pulmonaire chez les jeunes individus, notamment en ce qui concerne la susceptibilité aux infections virales et la prédisposition au développement de maladies chroniques. La valeur ajoutée du projet réside dans sa contribution novatrice à la compréhension des interactions entre la pollution de l’air, le développement pulmonaire et la susceptibilité aux maladies respiratoires. En établissant un lien entre la recherche environnementale et biomédicale, il a le potentiel d’éclairer les politiques de santé publique, d’améliorer la gestion clinique et les stratégies de prévention, et d’ouvrir la voie à des interventions ciblées pour réduire les risques sanitaires respiratoires associés à la pollution de l’air.