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MODELISER LE MICROBIOTE

INTRODUCTION

INFORMATIONS

DEFI n°1

TRAVAIL

DEFI n°2

DEFI n°3

Microbiote et inflammation

Notions scientifiqueset aides numériques

Les antibiotiques

Objectifs et production à rendre

La consommation de fibres

La compétition

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INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

O. LICENSELycée Richelieu

Musique par Dexter Britain "The time to run"

Pour étudier l'inflammation de l'intestin

01 INTRODUCTION

ACCUEIL

INTRODUCTION

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TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

De nombreuses pathologies sont liées à une inflammation de l’intestin et semblent provoquées par un déséquilibre du microbiote (= dysbiose) entre bactéries pro-inflammatoires et bactéries anti-inflammatoires. Par exemple, certaines crises de diarrhées aiguës correspondent à une inflammation transitoire de l’intestin, quant aux maladies intestinales chroniques inflammatoires (MICI), comme la maladie de Crohn et la Rectocolite Hémorragique (RCH), elles sont associées à une inflammation permanente de la paroi intestinale.Grâce à un modèle numérique, nous allons étudier dans cette activité l'influence de certains facteurs de l’environnement qui peuvent modifier l’équilibre du microbiote et expliquer, soit une dysbiose à l’origine d’une inflammation, soit au contraire un rééquilibrage du microbiote.

02 TRAVAIL

ACCUEIL

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Par équipe de 2 à 3 élèves, relevez les différents défis proposés dans l’ordre (de préférence) afin d’étudier le lien entre l’équilibre du microbiote et l’inflammation de l’intestin.Vous réaliserez un modèle numérique du microbiote à l'aide du logiciel Edu’Modèles.

TRAVAIL A REALISER

INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

PRODUCTION A RENDRE

Votre production numérique présentera le détail de chaque modèle complété (exporter un résumé) et des captures d’écrans du logiciel pour argumenter vos réponses.Une critique des modèles sera de plus effectuée.

03 INFORMATIONS

ACCUEIL

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Info scientifique n°1 Des cellules immunitaires dans la paroi intestinale.

Info scientifique n°2La bactérie Clostridium difficile.

Info scientifique n°3 La production de substances bactéricides par le microbiote.

Info scientifique n°4 L'effet de la consommation de fibres sur le microbiote.

Infos sur Edu'ModèlesRappels sur l'utilisation du logiciel Edu'Modèles.

INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

n°1

n°2

n°3

n°4

n°5

De très nombreuses cellules immunitairessont présentes dans la paroide l’intestin. Elles sont capables de détecter des molécules provenant des micro-organismes du microbiote et ensuite de sécréter d’autres molécules activant l’inflammation des tissus (= cytokines) : c’est la première étape de la réponse immunitaire du corps face à des agents pathogènes.Ce contact permanent entre les cellules immunitaires et les molécules provenant du microbiote sont nécessaires à la maturation du système immunitaire.Illustration modifiée, d’après https://www.3trois3.com

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } Clostridium difficileest une bactérie pathogène de notre microbiote, qui sécrète des toxines à l’origine d’une inflammationde l’intestin pouvant engendrer des diarrhées, voire entraîner la mort dans le cas d’une dysbiose sévère. Une infection chez un sujet sain, avec un microbiote normal est asymptomatique.Cette bactérie est résistanteà de nombreux antibiotiques.Image au MEB de Clostridium difficile.(illustration issue du manuel de Seconde, Nathan, 2019)

Certaines bactéries du microbiote intestinal sécrètent des substances qui vont empêcher la germination des formes sporulées de Clostridium difficile(formes résistantes en vie ralentie de la bactérie). Ces substances peuvent être considérées comme des « bactéricides » dans notre modélisation, c’est-à-dire des molécules provoquant la mort de la bactérie (en réalité, elles permettent l’évacuation des spores de l’intestin en inhibant leur germination).Inhibition de la propagation de C. difficile par le microbiote intestinal.(illustration issue du manuel de Seconde, Nathan, 2019)

Les fibres sont des sucres complexesque l’on rencontre dans les fruits et les légumes, dont une grande partie n’est pas digérée par les enzymes digestives humaines (comme la cellulose). Par contre, de nombreuses bactéries anti-inflammatoires de notre microbiote sont capables de les dégrader pour en tirer de l’énergie et fabriquer en retour certains nutriments essentiels à notre métabolisme (vitamines, acides gras...).Modèle moléculaire d'un fragment de molécule de cellulose.La biodiversité du microbiote est donc fortement dépendante de la quantité de fibres consommées dans notre alimentation :plus la quantité de fibres ingérées est élevée et plus la biodiversité est grande (ce qui est favorable aux bactéries anti-inflammatoires du fait de la baisse de la compétition pour les ressources alimentaires, ce qui n’est pas le cas des bactéries pro-inflammatoires qui ne les consomment pas) ;plus la quantité de fibres ingérées est faible et moins la biodiversité est grande (ce qui est donc favorable aux bactéries pro-inflammatoires).

Rappels sur l'utilisation du logiciel Edu'Modèles: @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.21cm; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } Edu’Modèles permet de faire de la modélisation algorithmique, c’est-à-dire que les modèles sont basés sur des algorithmes simples utilisant des agents(entités) qui interagissent grâce à des règles(comportements). Chaque agent est défini par sa mobilité(avec une probabilité de déplacement exprimée en pourcents) et sa demi-vie(durée au bout de laquelle la moitié de la population de cet agent a disparu naturellement).Une règle de comportement s’écrit comme une réaction chimique: les « agents réactifs » réagissant entre eux à gauche et les « agents produits » à droite issus de la réaction, cette réaction ayant lieu avec une probabilitéexprimée en pourcents.Pour éviter l’encombrement rapide de l’environnement par de trop nombreux agents, on évite de donner une probabilité de réaction à un comportementsupérieure à 5 %.NE PAS TOUCHER AUX PARAMETRES DES AGENTS ET DES RÈGLES DÉJÀ PRÉSENTS DANS LES PRE-MODELES.Ne pas hésiter à répéter les simulationslors du test d’un modèle pour s’assurer de sa validité.Vous pouvez exporter un résumé du modèle en cliquant sur Exporter un résumé.

04 DEFI n°1

ACCUEIL

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Etapes

Informations surle pré-modèle

INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

A l'aide !!!

J'ai réussi si...

Modéliser la compétition

Présentationdu contexte

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } Les microbiologistes émettent l’hypothèse que les différentes espèces de micro-organismes composant le microbiote intestinal humain, sont en compétition permanentepour leurs ressourcesalimentaires(c’est-à-dire les différents résidus alimentaires qui circulent dans la lumière de l’intestin = espace creux de l’intestin). C’est en partie grâce à cette compétition interspécifique, que les « bonnes » bactéries anti-inflammatoires, à l’effectif très largement majoritaire chez un sujet sain, arrivent à contenir la prolifération des bactéries pro-inflammatoires comme Clostridium difficile.

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } 1- Complétez le pré-modèle 1 pour rendre compte de l’action des bactéries anti-inflammatoires sur Clostridium difficile (information scientifique n°3) en rajoutant les agents et règles nécessaires.Télécharger le pré-modèle 1 pour l'ouvrir avec Edu'Modèles2- Utilisez votre modèle pour valider l’hypothèse des microbiologistes.

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } Zones:rose= lumière de l’intestinblanche= paroi intestinale + « reste » du corps humainAgents :Résidu alimentaire : aliment en cours de digestionBactérie anti-inflammatoireClostridium difficile : exemple de bactérie pro-inflammatoireToxine inflammatoire : molécule inflammatoire fabriquée par Clostridium difficileCellule immunitaire : leucocyte (= globule blanc) localisé dans la paroi intestinaleMolécule de l’inflammation : sécrétée par les cellules immunitaires de la paroi intestinaleRègles :Alimentation: génère les nutriments arrivant dans l'intestinMultiplication bactéries: multiplication des bactéries anti-inflammatoires du microbioteMultiplication Clostridium: multiplication des Clostridium difficileSynthèse toxines: libération des toxines inflammatoires par Clostridium difficileInflammation: sécrétion par les cellules immunitairesdes molécules activant l'inflammation

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } J'ai réussi si:Mon modèle traduit la synthèse du bactéricide par les bactéries anti-inflammatoires.Mon modèle traduit l'action du bactéricide sur Clostridium difficile.Mes simulations permettent de valider l'hypothèse des microbiologistes.Quelques conseils à respecter pour que mon modèle fonctionne :Ne pas toucher aux agents et règles existantes du pré-modèle.Choisir pour les règles de comportement, des probabilités de réaction à chaque tour inférieures à 5 %.Choisir une courte durée de vie pour la molécule bactéricide (une dizaine de tours environ).Limiter le nombre de bactéries placées au début à 200.

04 DEFI n°1 - AIDES

ACCUEIL

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INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

Modéliser la compétition

Je ne sais pas quelle règle ajouter...

Première règle

Je ne sais commentutiliser mon modèle...

Quelles simulations réaliser ?

Deuxième règle

Quel paramètre observer ?

Je ne sais pas quel agent ajouter...

Un seul nouvel agent est nécessaire

Ajouter un agent "Bactéricide" à courte durée de vie (une dizaine de tours).

Créer une règle de comportement pour la synthèse de la molécule bactéricide par les bactéries anti-inflammatoires : une bactérie anti-inflammatoire fabrique une molécule bactéricide (mais ne disparaît pas à la fin !).

Créer une règle de comportement pour l'action du bactéricide sur Clostridium difficile: une molécule bactéricide détruit un Clostridium difficileet disparaît dans la réaction.

Réaliser différentes simulations avec des effectifs Clostridium/Bactéries anti-inflammatoires de :10/19050/150100/100150/50.

Observer l'évolution des effectifsdes bactéries anti-inflammatoires et de Clostridium difficileet comparer les valeurs au bout d'une certaine durée (3000 à 4000 tours).

05 DEFI n°2

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INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

Modéliser l'effet des antibiotiques

Etapes

Informations surle pré-modèle

J'ai réussi si...

Présentationdu contexte

A l'aide !!!

Les antibiotiques tuent les bactéries responsables d’une infection, mais déclenchent aussi fréquemment des diarrhéeschez les patients traités. Dans 15 à 25 % des cas, ces diarrhées sont causées par la bactérie Clostridium difficileet ne sont que transitoires.La prise répétée et rapprochée d’antibiotiques peut les aggraver.

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } 1- Complétez votre modèle précédent(outéléchargez lepré-modèle 2si vous n'avez pas relevé le défi n°1) pour modéliser l’effet d’un antibiotique sur les bactéries du microbiote intestinal (information scientifique n°2) en rajoutant les agents et règles nécessaires. @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } 2- Utilisezvotre modèle pour montrer que la prise d’un antibiotique peut effectivement expliquer l’apparition de diarrhées suite à un déséquilibretransitoire du microbiote.

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } @page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } Zones:rose= lumière de l’intestinblanche= paroi intestinale + « reste » du corps humainAgents :Résidu alimentaire : aliment en cours de digestionBactérie anti-inflammatoireBactéricide: molécule fabriquée par les bactéries anti-inflammatoires et limitant le développement des bactéries pro-inflammatoiresClostridium difficile : exemple de bactérie pro-inflammatoireToxine inflammatoire : molécule inflammatoire fabriquée par Clostridium difficileCellule immunitaire : leucocyte (= globule blanc) localisé dans la paroi intestinaleMolécule de l’inflammation : sécrétée par les cellules immunitaires de la paroi intestinaleRègles :Alimentation: génère les nutriments arrivant dans l'intestinMultiplication bactéries: multiplication des bactéries anti-inflammatoires du microbioteMultiplication Clostridium: multiplication des Clostridium difficileSynthèse toxines: libération des toxines inflammatoires par Clostridium difficileInflammation: sécrétion par les cellules immunitairesdes molécules activant l'inflammationSynthèse bactéricide: libération des molécules bactéricides par les bactéries anti-inflammatoiresAction bactéricide: destruction de Clostridium difficilepar les molécules bactéricides

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } J'ai réussi si:Mon modèle traduit l'action de l'antibiotique sur les bactéries anti-inflammatoires.Mes simulations permettent d'argumenter le lien entre la prise de l'antibiotique, l'effectif de Clostridium difficile et l'inflammation.Quelques conseils à respecter pour que mon modèle fonctionne :Ne pas toucher aux agents et règles existantes du pré-modèle.Choisir pour les règles de comportement, des probabilités de réaction à chaque tour inférieures à 5 %.Choisir une durée de vie pour l'antibiotique équivalente à celle des bactéries.Ne pas utiliser plus d'antibiotiques qu'il y a de bactéries dans l'environnement de travail.

05 DEFI n°2

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INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

Modéliser l'effet des antibiotiques

Je ne sais pas quelle règle ajouter...

Je ne sais commentutiliser mon modèle...

Je ne sais pas quel agent ajouter...

Une seule règle est nécessaire

Quelles simulations réaliser ?

Quel paramètre observer ?

Un seul nouvel agent est nécessaire

Ajouter un agent "Antibiotique" avec une durée de vie égale à celle d'une bactérie.

Faire 2 types de simulations :sans antibiotiqueavec antibiotiqueNe pas hésiter à répéter les simulations dans chaque cas.

Comparer le pic de sécrétion de molécules de l’inflammation et faire le lien avec les diarrhées.

Créer une règle de comportement pour l'action de l'antibiotique sur les bactéries anti-inflammatoires : une molécule antibiotique détruit une bactérie anti-inflammatoire et disparaît dans la réaction.Choisir une probabilité de réaction à chaque tour élevée (25%).

05 DEFI n°3

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INTRODUCTION

TRAVAIL

INFORMATIONS

DEFI 3

DEFI 1

DEFI 2

Modéliser l'effet des fibres

Etapes

Informations surle pré-modèle

J'ai réussi si...

Présentationdu contexte

A l'aide !!!

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } « Mangez au moins 5 fruits et légumes par jour » est l’une des recommandations de l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), reprise par le gouvernement français dans le cadre d’une campagne prophylactique du Programme National Nutrition Santé (PNNS). Ces aliments nous apportent, outre de nombreuses vitamines, les fibresqui sont essentielles à notre alimentation et permettent une bonne digestion des aliments et assimilation des nutriments.

1- Complétez votre modèle précédent(outéléchargez lepré-modèle 2si vous n'avez pas relevé le défi n°2)pour modéliser l’effet de la consommation de fibres sur les différentes bactéries du microbiote intestinal (information scientifique n°4), en rajoutant les agents et règles nécessaires.2- Utilisez votre modèle pour montrer que la consommation de fibres participe à réduire une inflammation chronique de l’intestin (dans une certaine mesure !).

Zones :rose= lumière de l’intestinblanche= paroi intestinale + « reste » du corps humainAgents :Résidu alimentaire : aliment en cours de digestionBactérie anti-inflammatoireBactéricide: molécule fabriquée par les bactéries anti-inflammatoires et limitant le développement des bactéries pro-inflammatoiresClostridium difficile : exemple de bactérie pro-inflammatoireToxine inflammatoire : molécule inflammatoire fabriquée par Clostridium difficileCellule immunitaire : leucocyte (= globule blanc) localisé dans la paroi intestinaleMolécule de l’inflammation : sécrétée par les cellules immunitaires de la paroi intestinaleRègles :Alimentation: génère les nutriments arrivant dans l'intestinMultiplication bactéries: multiplication des bactéries anti-inflammatoires du microbioteMultiplication Clostridium: multiplication des Clostridium difficileSynthèse toxines: libération des toxines inflammatoires par Clostridium difficileInflammation: sécrétion par les cellules immunitairesdes molécules activant l'inflammationSynthèse bactéricide: libération des molécules bactéricides par les bactéries anti-inflammatoiresAction bactéricide: destruction de Clostridium difficilepar les molécules bactéricides

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } J'ai réussi si:Mon modèle traduit la prise d'un repas riche en fibres.Mon modèle traduit l'utilisation des fibres par les bactéries anti-inflammatoires.Mes simulations permettent d'argumenter le lien entre la prise d'un repas riche en fibres, l'effectif de Clostridium difficile et l'inflammation.Quelques conseils à respecter pour que mon modèle fonctionne :Ne pas toucher aux agents et règles existantes du pré-modèle.Se baser sur les règles de comportements déjà existantes pour créer les nouvelles.Conserver le nombre total de 100 entités "aliment" placées au démarrage, quelle que soit la part des fibres dans le repas.

05 DEFI n°3

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INTRODUCTION

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DEFI 3

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DEFI 2

Modéliser l'effet des fibres

Je ne sais pas quelle règle ajouter...

Je ne sais commentutiliser mon modèle...

Je ne sais pas quel agent ajouter...

Première règle

Quelles simulations réaliser ?

Deuxième règle

Quel paramètre observer ?

Un seul nouvel agent est nécessaire

Ajouter un agent "Fibre alimentaire" avec une durée de vie infinie.

Créer une règle de comportement pour l'alimentation en fibres : une entité fibre alimentaire est générée spontanément avec une probabilité élevée, équivalente à celle des autres résidus alimentaires.

Créer une règle de comportement pour la multiplication des bactéries anti-inflammatoiresgrâce aux fibres alimentaires : une molécule fibre alimentaire réagit avec une bactérie anti-inflammatoire pour donner deux bactéries anti-inflammatoires, et disparaît dans la réaction.

Faire 2 types de simulations :repas sans fibre (ne pas en placer au début de la simulation et désactiver la règle d'alimentation en fibres)repas avec fibres (remplacer une partie des résidus alimentaires de départ par des fibres et activer la règle d'alimentation en fibres).Ne pas hésiter à répéter les simulations dans chaque cas.

@page { size: 21cm 29.7cm; margin: 2cm } p { margin-bottom: 0.25cm; line-height: 115%; background: transparent } a:link { color: #000080; so-language: zxx; text-decoration: underline } Comparer le niveau moyen de sécrétion de toxines inflammatoires dans les différentes simulations.

Pour aller plus loin...

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