Un nez pour les microbes : comment la faim règle le cerveau
De nouvelles recherches menées par la Fondation Champalimaud (FC) révèlent comment le manque d'un seul acide aminé essentiel peut modifier l'expression des gènes et les systèmes sensoriels du cerveau, incitant les animaux à rechercher des levures et des bactéries intestinales riches en protéines qui les aident à rétablir l'équilibre nutritionnel et à survivre en cas de besoin.
Le fromage et le chocolat n'ont guère d'attrait culinaire pour une mouche à fruits, mais pour une personne privée de nutriments, leur arôme cache un indice important.
Carla Emilie Pereira
Indices fermentés
Le fromage et le chocolat ne tentent peut-être pas le palais d'une mouche à fruits, mais pour une mouche affamée en manque de nutriments, leur odeur est porteuse d'un signal caché. Lorsqu'ils sont privés de certains acides aminés - les éléments constitutifs des protéines - ces minuscules insectes développent un odorat étonnamment raffiné qui les aide à trouver non seulement de la nourriture, mais aussi des bactéries spécifiques vivant dans les aliments fermentés.
Depuis des années, les scientifiques savent que les animaux peuvent sentir qu'ils manquent de certains nutriments et qu'ils recherchent activement des aliments pour compenser. Ce qui n'est pas clair, c'est la manière dont le cerveau traduit ce besoin nutritionnel interne en une impulsion comportementale - comment un "besoin" physiologique devient une "envie" sensorielle. C'est la question qui a motivé les chercheurs du laboratoire du comportement et du métabolisme de la FC, dirigé par Carlos Ribeiro, chercheur principal et auteur principal de l'étude.
L'histoire de deux gènes
Les animaux, y compris les humains, ne peuvent pas produire tous les acides aminés dont ils ont besoin. Ces acides aminés dits essentiels (ou AAE) doivent provenir de l'alimentation. S'il en manque ne serait-ce qu'un, la chimie interne de l'organisme change radicalement : la synthèse des protéines s'essouffle, le métabolisme ralentit et le cerveau développe un appétit spécifique pour les aliments riches en protéines.
Chez les mouches des fruits, ce comportement est facile à observer : si l'on supprime un seul acide aminé essentiel de leur alimentation, elles se mettent à rechercher la levure, leur principale source de protéines. Mais l'équipe de M. Ribeiro voulait savoir ce qui se passait dans le cerveau pour que ce changement se produise.
En utilisant des régimes synthétiques dans lesquels il manquait un des dix acides aminés essentiels, les chercheurs ont séquencé l'ARN (acide ribonucléique) des têtes de mouches soumises à onze conditions différentes - dix régimes privés d'acides aminés et un contrôle totalement équilibré. Ils ont ainsi pu suivre l'évolution de l'expression de milliers de gènes en fonction de l'acide aminé manquant.
"Alors que le comportement des mouches était similaire dans toutes les privations d'acides aminés, montrant une volonté accrue de se nourrir, chaque privation avait sa propre 'empreinte' en termes d'expression génétique", explique Gili Ezra-Nevo, premier auteur de l'étude. "Mais malgré ces différences, certains gènes ont été modifiés de la même manière, quel que soit l'acide aminé manquant".
Parmi ces changements communs, une tendance se dégage : deux gènes de récepteurs olfactifs, tous deux impliqués dans l'odorat, sont systématiquement régulés à la hausse en réponse à la privation d'acides aminés. Ces gènes - Or92a et Ir76a - sont devenus la clé pour comprendre comment l'odorat des mouches est finement ajusté pour répondre à leurs besoins.
Le lien avec la levure : comment l'odorat façonne l'arôme
Le premier récepteur, Or92a, était déjà connu pour réagir au diacétyle, une molécule qui donne au pop-corn au goût de beurre son arôme distinctif et contribue à l'odeur du vin et de la bière. La levure produit du diacétyle pendant la fermentation et, comme elle contient tous les acides aminés essentiels, il est logique que cette odeur soit particulièrement attrayante lorsque les mouches sont privées de protéines.
Lorsque les chercheurs ont testé des mouches dépourvues d'Or92a, les insectes pouvaient toujours localiser la levure mais s'en nourrissaient moins. "Ils pouvaient sentir où elle se trouvait, mais elle n'avait pas le même goût pour eux", explique Ezra-Nevo. "En effet, l'olfaction ne sert pas seulement à trouver la nourriture, elle contribue également à la saveur et à l'évaluation de la palatabilité.
L'équipe est allée plus loin en utilisant une souche mutante de levure qui ne produisait pas de diacétyle. Le résultat a été le même : les mouches étaient moins enclines à se nourrir. La perte de cet indice olfactif clé a perturbé leur perception de la saveur, rendant la nourriture moins attrayante. Tout comme les humains perdent l'appétit ou le plaisir de manger lorsqu'ils ont le nez bouché, les mouches s'appuient sur une interaction étroite entre l'odorat et le goût pour réguler leur alimentation.
Des "neurones à chocolat" dans le cerveau ?
Le second récepteur, Ir76a, s'est révélé encore plus mystérieux. En parcourant la littérature sur la microbiologie et les sciences alimentaires, les chercheurs ont découvert que les aliments fermentés tels que le fromage et le chocolat émettent un composé appelé PEA, qui active Ir76a.
Les tests ont montré que les neurones olfactifs des mouches réagissaient fortement à l'odeur du chocolat, mais pas à celle du fromage. Avaient-ils trouvé des "neurones à chocolat" dans le cerveau ? Pas tout à fait. Les mouches ne se nourrissant normalement ni de chocolat ni de fromage, l'équipe a creusé plus avant et a trouvé le véritable lien : ces deux aliments sont fermentés par les bactéries Lactobacillus et Acetobacter, qui produisent également le même composé.
"C'est à ce moment-là que le déclic s'est produit", explique Sílvia Henriques, coauteur de l'étude. "Les mouches n'étaient pas attirées par le chocolat lui-même, mais par les bactéries qui se développent dans ces aliments. Et ces bactéries sont également des résidents naturels du microbiome des mouches".
Lorsque les chercheurs ont exposé les mouches à des bactéries Lactobacillus et Acetobacter vivantes, les neurones Ir76a ont réagi encore plus fortement. Des expériences comportementales ont confirmé ce lien : les mouches privées d'acides aminés se nourrissaient davantage de bactéries, mais uniquement lorsque les bactéries étaient vivantes et métaboliquement actives. Les bactéries mortes ne déclenchent plus l'alimentation. En d'autres termes, les mouches recherchaient les bactéries pour leurs avantages métaboliques.
Lorsque l'équipe a supprimé le récepteur Ir76a, les mouches ont perdu tout intérêt, même lorsqu'elles étaient privées de nutriments. "C'est la découverte la plus surprenante", déclare Ezra-Nevo. "Elle montre que l'odorat des mouches est littéralement réglé pour détecter les bactéries, et que ce réglage dépend de leur état nutritionnel interne. La privation d'acides aminés n'a pas seulement modifié l'activité neuronale, elle a aussi changé les récepteurs qui étaient fabriqués en premier lieu".
Des alliés microbiens chez les mouches - et chez nous
Pourquoi une mouche rechercherait-elle des bactéries lorsque les acides aminés sont rares ? Des recherches antérieures ont montré que le fait de se nourrir de certaines bactéries améliore la production d'œufs chez les mouches privées d'acides aminés. D'autres études ont révélé que le microbiome intestinal peut favoriser l'absorption d'acides aminés dans des conditions pauvres en nutriments en produisant des enzymes qui décomposent les protéines plus efficacement.
"En suivant leur nez vers les bactéries, il semble que les mouches aient évolué pour utiliser les microbes comme des alliés, en recherchant des partenaires qui augmentent leurs chances de survie lorsqu'elles sont confrontées à la privation d'acides aminés", explique Henriques.
Les parallèles avec l'homme sont intrigants. De nombreux régimes alimentaires traditionnels comprennent des aliments fermentés - du kimchi au yaourt en passant par le kéfir - longtemps appréciés pour leurs propriétés de conservation, mais un aspect sous-estimé de leur attrait pourrait être qu'ils abritent des bactéries bénéfiques qui facilitent la digestion et l'absorption des nutriments.
Les résultats suggèrent que notre appétit pour les aliments fermentés pourrait découler en partie d'une ancienne logique biologique. Lorsque les nutriments sont rares, l'organisme semble accorder ses systèmes sensoriels pour localiser ce dont il a besoin - parfois en détectant des microbes plutôt que des macronutriments.
Des sens en mouvement
Cette étude aborde une question plus large en biologie : comment les états physiologiques internes façonnent la perception et le comportement. L'idée que la faim peut modifier le traitement sensoriel et l'activité neuronale n'est pas nouvelle, mais cette recherche va plus loin : elle montre qu'en cas de privations nutritionnelles multiples, certains récepteurs sensoriels sont reprogrammés au niveau moléculaire pour améliorer la condition physique.
En d'autres termes, le cerveau des mouches ne se contente pas d'interpréter la faim, il modifie physiquement la façon dont il perçoit le monde pour y répondre. Bien que nous pensions souvent que les sens sont fixes, ils sont en fait remarquablement dynamiques. L'étude du laboratoire Ribeiro montre que lorsque les mouches manquent d'acides aminés essentiels, elles subissent des changements dans l'expression des gènes qui les aident à détecter les aliments - ou les microbes - susceptibles de combler ce déficit et de les aider à s'adapter aux défis nutritionnels. C'est un exemple frappant de l'imbrication profonde entre le métabolisme, le cerveau et le comportement.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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