Identification des souches de Bacillus par MALDI TOF MS en utilisant une approche géométrique

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 16989 (2015) Citer cet article

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L'identification des micro-organismes par spectrométrie de masse MALDI TOF repose sur la comparaison du spectre de masse de l'organisme étudié avec ceux de souches de référence. C'est une méthode rapide et fiable. Cependant, les bases de données et programmes commerciaux sont principalement conçus pour l’identification de souches cliniquement importantes et ne peuvent être utilisés que pour des modèles particuliers de spectromètre de masse. Le besoin de plateformes ouvertes et de bases de données de référence est évident. Dans cette étude, nous décrivons une approche géométrique pour l'identification des micro-organismes par spectres de masse et démontrons ses capacités en analysant 24 souches appartenant au groupe Bacillus pumilus. Cette méthode est basée sur la représentation des spectres de masse sous forme de points sur un espace multidimensionnel, ce qui nous permet d'utiliser des distances géométriques pour comparer les spectres. La délimitation des micro-organismes réalisée par approche géométrique est bien corrélée aux résultats de l'analyse phylogénétique moléculaire et du regroupement à l'aide de Biotyper 3.1. Les trois méthodes utilisées nous ont permis de diviser de manière fiable les souches en deux groupes correspondant à des espèces étroitement apparentées, Bacillus pumilus et Bacillus altitudinis. La méthode que nous avons développée sera implémentée dans une interface Web conçue pour utiliser des bases de données de référence ouvertes pour l'identification des micro-organismes. Les données sont disponibles sur http://www.bionet.nsc.ru/mbl/database/database.html.

Lors de l’étude de souches bactériennes isolées d’environnements extrêmes, nous avons besoin d’une identification rapide et fiable des souches bactériennes, notamment celles du genre Bacillus. Le genre Bacillus contient des bactéries Gram-positives aérobies ou anaérobies facultatives en forme de bâtonnet qui forment des spores intracellulaires. Il comprend plus de 80 espèces valides1. Les représentants de ce genre sont abondants dans le sol, l’air et l’eau et sont largement utilisés comme sources d’enzymes industrielles pour les industries alimentaires, textiles et chimiques2. Ils sont également utilisés comme hôtes d’expression de gènes recombinants3, ainsi que comme source de gènes recombinants4. Les souches de Bacillus sont prometteuses pour l’agriculture en tant que rhizobactéries favorisant la croissance des plantes5 et pour une utilisation dans les systèmes de décontamination6,7.

Au cours des 30 dernières années, la systématique du genre a été considérablement révisée. Certaines espèces ont été isolées dans de nouveaux genres : Alicyclobacillus, Paenibacillus, Aneurinibacillus, Brevibacillus, Halobacillus, Virgibacillus, Filobacillus et Jeotgalibacillus. En outre, le genre Bacillus contient plusieurs groupes d’espèces étroitement apparentés, dont la délimitation est difficile. Par exemple, le groupe Bacillus cereus comprend Bacillus cereus, Bacillus anthracis et Bacillus thuringiensis, qui sont génétiquement très similaires, mais sont néanmoins considérés comme des espèces distinctes en raison de leur pathogénicité différente8. Un autre exemple est le groupe Bacillus subtilis, qui contient l'espèce Bacillus subtilis subsp. subtilis, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus licheniformis, Bacillus atrophaeus, Bacillus mojavensis, Bacillus vallismortis, Bacillus subtilis subsp. spizizenii et Bacillus sonorensis. Les séquences génétiques de l’ARNr 16S de ces espèces présentent une similarité de séquence de plus de 99 %, elles ne peuvent donc pas être distinguées sur cette seule base9. Une nouvelle espèce, Bacillus safensis, a été isolée de B. pumilus sur la base de la séquence du gène gyrB10 et trois autres espèces ont été décrites en utilisant l'approche taxonomique polyphasique : Bacillus altitudinis, Bacillus stratosphaericus et Bacillus aerophilus11. Ces espèces ont des séquences génétiques d’ARNr 16S étroitement apparentées et forment le groupe B. pumilus12.

Les méthodes classiques d’identification des micro-organismes, telles que les tests biochimiques et le séquençage de l’ADN, prennent du temps et demandent beaucoup de travail. L'approche la plus récemment développée qui utilise la spectrométrie de masse MALDI TOF est simple et rapide. Elle est basée sur la comparaison du spectre protéique de l’échantillon étudié à une base de données de spectres de référence13. Plusieurs études ont démontré une reproductibilité élevée de cette méthode à condition que des protocoles standards soient utilisés14,15,16,17. On sait que la précision de l’identification tolère des conditions de croissance variables17,18,19.