Lycée - Seconde

Modéliser le microbiote pour étudier l’inflammation de l’intestin

Un modèle polyvalent à implémenter par les élèves (Edu’Modèles)

seconde exemple d’activité support numérique modélisation nouveaux_programmes

dimanche 10 janvier 2021 , par Olivier License

Le microbiote a déjà été abordé au cours du cycle 4 lors de la « découverte du monde microbien hébergé par notre organisme et son fonctionnement ». En seconde, il s’agit d’approfondir cette notion en insistant sur la complexité des relations symbiotiques entre le microbiote et l’hôte, tout en faisant le lien avec la santé. Cette activité permet d’aborder différents aspects du programme de seconde à partir d’un seul et même modèle de base et d’offrir différentes approches selon les choix pédagogiques du professeur. La version « Genially » de l’activité permet de plus de travailler plus facilement la pédagogie différenciée et l’autonomie de l’élève en prenant en compte ses difficultés.
Elle a enfin pour but de faire comprendre aux élèves ce qu’est un modèle (numérique en l’occurrence) et comment il se construit, en leur proposant d’améliorer eux-mêmes un pré-modèle algorithmique. Cela s’inscrit donc dans les attentes du programme de seconde 2019 qui promeut l’algorithmique et la modélisation.

Sommaire


– Liaison avec le programme
– Place dans la progression
– Notions, compétences et capacités
– Activité (durée, coût, sécurité)
– Déroulement de la séquence (2 scénarios proposés)
– Mise en situation et consigne donnée aux élèves
– Outils numériques et ressources pour les élèves
– Défi n°1 : Modéliser la compétition
– Défi n°2 : Modéliser l’effet des antibiotiques
– Défi n°3 : Modéliser l’effet de la consommation de fibres
– Explications à l’intention des collègues autour des différents défis
– Analyse du dispositif
– Articles connexes

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné : Seconde
Partie du programme : Dans le sous-thème « Microbiote humain et santé » du thème 3 : « Corps humain et santé ».

PLACE DANS LA PROGRESSION
Une première séance a déjà permis d’observer la diversité du microbiote humain ainsi que de présenter ses grands rôles. Cette activité vient compléter ces notions en focalisant sur le rôle protecteur du microbiote intestinal en lien avec l’immunité.

NOTIONS, COMPÉTENCES ET CAPACITÉS
Notions Extraits du Bulletin officiel spécial n°1 du 22 janvier 2019 :
« 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. »
Compétences et capacités Pratiquer des démarches scientifiques : modéliser pour justifier et expliquer une théorie, un raisonnement, une démonstration ; interpréter des résultats et en tirer des conclusions, valider une hypothèse.
Concevoir, créer, réaliser : concevoir un modèle simple pour mettre en œuvre une démarche scientifique.
Utiliser des outils et mobiliser des méthodes pour apprendre : Apprendre à organiser son travail, coopérer et collaborer en équipe, sélectionner des informations à partir de documents scientifiques.
Communiquer et utiliser le numérique

ACTIVITÉ
Durée : 1 à 2 grosses séances selon les choix pédagogiques du professeur
Coût : 0 €
Sécurité : RAS

DÉROULEMENT DE LA SÉQUENCE
Séance précédente : Observation du microbiote buccal (ou autre), détermination de l’origine du microbiote, découverte des grands rôles du microbiote.
Le logiciel de modélisation a déjà été utilisé lors de séances précédentes (sélection sexuelle, dérive génétique, transmission de maladies…). Son interface et son utilisation sont donc déjà connues des élèves, sans quoi il faudra prévoir des séances de travail plus longues, le temps que les élèves prennent le logiciel en main (plutôt rapide) et comprennent le principe de la modélisation algorithmique (moins évident).
Scénario 1 : 1 grosse séance avec des équipes relevant l’un des 3 défis proposés au choix Séance 1 : (1h25)

  • Rappels de la séance précédente : grands rôles du microbiote et focus sur son rôle protecteur en lien avec le système immunitaire (5 min)
  • Présentation du contexte d’étude et des pré-modèles (10 min)
  • Réalisation des équipes et choix du défi à relever (selon le scénario pédagogique du professeur)
  • Amélioration du pré-modèle algorithmique et tests
  • Communication numérique des résultats (diaporama ou fichier texte partagé sur Padlet ou ENT)



Séance 2 : (15-20 min)

  • Retour sur les principales difficultés rencontrées par les élèves à la séance précédente et correction du défi
  • Critique du modèle et discussion autour de possibles améliorations
  • Bilan de cours
Scénario 2 : 2 grosses séances avec des équipes relevant les défis dans l’ordre Séance 1 : (1h25)

  • Rappels de la séance précédente : grands rôles du microbiote et focus sur son rôle protecteur en lien avec le système immunitaire (5 min)
  • Présentation du contexte d’étude et du pré-modèle (10 min)
  • Réalisation des équipes
  • Amélioration du pré-modèle algorithmique n°1 et tests
  • Communication numérique des résultats (diaporama ou fichier texte partagé sur Padlet ou ENT)



Séance 2 : (1h25)

  • Retour sur les principales difficultés rencontrées par les élèves à la séance précédente (correction possible du défi 1 avant de passer aux autres)
  • Défis n°2 et/ou 3 : Amélioration des pré-modèles algorithmiques et tests
  • Communication numérique des résultats (amélioration du diaporama de la séance précédente, ou nouveau fichier texte partagé sur Padlet ou ENT avec évaluation possible)



Séance 3 : (15 min)

  • Critique du modèle et discussion autour de possibles améliorations
  • Bilan de cours

MISE EN SITUATION ET CONSIGNE DONNÉE AUX ÉLÈVES
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.
Par équipe de 2 à 3 élèves, relevez les différents défis proposés afin d’étudier le lien entre l’équilibre du microbiote et l’inflammation de l’intestin.
Vous utiliserez le logiciel Edu’Modèles pour réaliser un modèle numérique du microbiote.
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.

OUTILS NUMÉRIQUES ET RESSOURCES POUR LES ÉLÈVES
Logiciel Edu’Modèles : Modèle algorithmique (multi-agents), niveau expert (conseil : créer un raccourci sur le bureau/réseau vers le logiciel pour éviter de taper l’adresse)
Mise en situation, consignes générales et informations scientifiques : Document PDF à distribuer numériquement aux élèves (réseau) ou à mettre sous pochette plastique sur les tables :

  • Des cellules immunitaires dans la paroi intestinale
  • La bactérie Clostridium difficile
  • La production de substances bactéricides par le microbiote
  • L’effet de la consommation de fibres sur le microbiote
Aides sur l’utilisation d’Edu’Modèles : Document PDF à distribuer numériquement aux élèves (réseau) ou à mettre sous pochette plastique sur les tables.
Pré-modèles : Pré-modèle 1 :


Pré-modèle 2 :

Version Genially de l’activité : Lien direct

DÉFI n°1 : MODÉLISER LA COMPÉTITION
Contexte : Les microbiologistes émettent l’hypothèse que les différentes espèces de micro-organismes composant le microbiote intestinal humain, sont en compétition permanente pour leurs ressources alimentaires (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.
Étapes pour les élèves : 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.
2- Utilisez votre modèle pour valider l’hypothèse des microbiologistes.
Informations sur le pré-modèle 1, critères de réussite et conseils : Pour aider les élèves à rentrer dans le modèle, les zones, agents et comportements sont détaillés sur la fiche de présentation du défi.
Les critères de réussites et quelques conseils sont aussi présents sur cette fiche afin d’aiguiller les élèves en difficulté.
Aides : Pour les élèves les plus en difficultés, diverses aides sont prévues sur une fiche à part et pourront être données/utilisées selon les besoins :

  • "Je ne sais pas quel agent ajouter..."
  • "Je ne sais pas quelle(s) règle(s) ajouter..."
  • "Je ne sais pas comment utiliser mon modèle..."

DÉFI n°2 : MODÉLISER L’EFFET DES ANTIBIOTIQUES
Contexte : Les antibiotiques tuent les bactéries responsables d’une infection, mais déclenchent aussi fréquemment des diarrhées chez les patients traités. Dans 15 à 25 % des cas, ces diarrhées sont causées par la bactérie Clostridium difficile et ne sont que transitoires. La prise répétée et rapprochée d’antibiotiques peut les aggraver.
Étapes pour les élèves : 1- Complétez votre modèle précédent (ou le pré-modèle 2 si 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.
2- Utilisez votre modèle pour montrer que la prise d’un antibiotique peut effectivement expliquer l’apparition de diarrhées suite à un déséquilibre transitoire du microbiote.
Informations sur le pré-modèle 2, critères de réussite et conseils : Pour aider les élèves à rentrer dans le modèle, les zones, agents et comportements sont détaillés sur la fiche de présentation du défi.
Les critères de réussites et quelques conseils sont aussi présents sur cette fiche afin d’aiguiller les élèves en difficulté.
Aides : Pour les élèves les plus en difficultés, diverses aides sont prévues sur une fiche à part et pourront être données/utilisées selon les besoins :

  • "Je ne sais pas quel agent ajouter..."
  • "Je ne sais pas quelle(s) règle(s) ajouter..."
  • "Je ne sais pas comment utiliser mon modèle..."

DÉFI n°3 : MODÉLISER L’EFFET DE LA CONSOMMATION DE FIBRES
Contexte : « 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 fibres qui sont essentielles à notre alimentation et permettent une bonne digestion des aliments et assimilation des nutriments.
Étapes pour les élèves : 1- Complétez votre modèle précédent (ou le pré-modèle 2 si 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 !).
Informations sur le pré-modèle 2, critères de réussite et conseils : Pour aider les élèves à rentrer dans le modèle, les zones, agents et comportements sont détaillés sur la fiche de présentation du défi.
Les critères de réussites et quelques conseils sont aussi présents sur cette fiche afin d’aiguiller les élèves en difficulté.
Aides : Pour les élèves les plus en difficultés, diverses aides sont prévues sur une fiche à part et pourront être données/utilisées selon les besoins :

  • "Je ne sais pas quel agent ajouter..."
  • "Je ne sais pas quelle(s) règle(s) ajouter..."
  • "Je ne sais pas comment utiliser mon modèle..."

EXPLICATIONS A L’INTENTION DES COLLÈGUES AUTOUR DES DIFFÉRENTS DÉFIS
Défi n°1 :
  • Il s’agit ici de traduire l’information scientifique n°3 dans le pré-modèle en rajoutant un agent : la molécule bactéricide, ainsi que les 2 règles qui vont avec : la synthèse de ces molécules bactéricides par les bactéries anti-inflammatoires et l’action de ces molécules sur les bactéries pro-inflammatoires, à savoir ici Clostridium difficile.

  • Modèle 1 complet (corrigé) :
  • On choisit une durée de vie courte pour cette molécule pour éviter son accumulation qui aboutirait très vite et systématiquement à la disparition de Clostridium. Ce choix est tout-à-fait discutable et critiquable à la fin de l’activité.
    On peut aussi critiquer la façon dont on traduit l’action de cette molécule dans le modèle qui apparait (comme son nom l’indique) comme une « molécule tueuse » alors qu’elle inhibe plutôt la germination des formes de résistance de Clostridium.
  • Pour tester ensuite l’effet de la compétition entre les bactéries, on fera varier l’effectif relatif des 2 types de bactéries de notre modèle et on regardera l’évolution de l’effectif de Clostridium sur une longue durée pour valider l’hypothèse demandée.
  • Il faut insister ici auprès des élèves que nous ne faisons que valider la « plausibilité » de l’hypothèse des scientifiques avec cette modélisation qui prend en compte différents aspects du réel, mais pas tous. Nous ne validons en rien la « véracité » de l’hypothèse, car il faudrait pour cela observer le réel et donc faire de l’expérimentation animale ou humaine.
Défi n°2 :
  • Il faut traduire ici l’information scientifique n°2 qui indique que Clostridium est résistant aux antibiotiques. Cela signifie qu’il faut créer un nouvel agent qui a une action délétère sur les bactéries anti-inflammatoires et non sur Clostridium.

  • Modèle 2 complet (corrigé) :
  • Pour faire le lien entre la prise d’antibiotiques et l’apparition de diarrhées, il faut faire 2 simulations : avec et sans antibiotique. Il faut suffisamment d’antibiotiques dans la simulation pour voir un effet. Le lien sera ensuite fait entre le développement de Clostridium, la production de toxines anti-inflammatoires par ce dernier, qui est responsable de la production de molécules de l’inflammation par les leucocytes de la paroi intestinale, aboutissant à une inflammation très importante de l’intestin, d’où les crises de diarrhées.
    L’explication devra donc bien montrer les liens de causalité entre les différents paramètres du modèle.
Défi n°3 :
  • C’est grâce à la dernière information scientifique que l’on peut compléter le pré-modèle 2 (ou le modèle précédent si les autres défis ont été relevés). Il faut créer un nouvel agent « fibre » qui apparait spontanément comme les autres résidus alimentaires, pour simuler une prise alimentaire. Cet agent ne sera utilisé que par les bactéries anti-inflammatoires et non par Clostridium pour se multiplier. Cela donne l’avantage aux bactéries anti-inflammatoires, vu qu’un repas riches en fibres fait diminuer la part relative des autres résidus alimentaires seulement utilisables par Clostridium.
  • Modèle 3 complet (corrigé) :
  • Pour faire le lien entre la consommation de fibres et la baisse de l’inflammation chronique de l’intestin, il faut bien sûr faire un repas sans fibre et un repas avec (par exemple 50/50 pour les fibres/autres résidus alimentaires) en ayant une même proportion de départ des bactéries pro et anti-inflammatoires à chaque simulation. Il faut suivre ensuite à chaque fois, l’évolution de la sécrétion des molécules de l’inflammation pour pouvoir comparer les résultats.

ANALYSE DU DISPOSITIF
Plus-values de l’activité :
  • En rentrant dans le cœur d’un modèle numérique, ce travail permet aux élèves de mieux appréhender la notion de modèle et l’intérêt de modéliser des phénomènes complexes (nombre de variables, durée, espace…) pour mieux comprendre les interactions entre différents paramètres et organismes.
  • Un travail critique sur la modélisation est ensuite grandement facilité.
  • Le choix du défi par les élèves permet de les motiver, tout comme le nombre de défis relevés dans le temps imparti par le professeur en classe.
  • Le format Genially de l’activité permet une plus grande autonomie des élèves grâce à l’interactivité de cette présentation et à la gestion simple des aides auxquelles ils peuvent se référer à tout moment et selon leurs besoins. Elle a de plus l’avantage de centraliser tous les documents et les fichiers numériques, ce qui permet d’assurer très simplement la continuité pédagogique en distanciel.
Difficultés rencontrées :
  • Le passage de la réalité au modèle, avec la « mise en équation » de l’algorithme dans le logiciel, a été difficile pour certains élèves. Elle le sera d’autant plus si ce genre d’activité n’a pas déjà été réalisée préalablement. La simplicité de l’interface permet assez rapidement de lever la difficulté informatique, mais il subsistera toujours pour certains des difficultés dans la traduction même des données scientifiques réelles en modèle numérique. Les aides sont là pour les orienter et les rassurer.
  • Le choix des valeurs par les élèves peut donner lieu à des simulations très étonnantes voire décevantes au début, ce qui nécessite parfois de nombreux essais jusqu’à obtenir un modèle satisfaisant. Cela peut être décourageant pour certains et des « vérifications coups de pouce » peuvent être nécessaires. Les conseils pour réussir chaque défi sont aussi là pour cette raison.
Pistes d’améliorations :
  • On peut proposer des modèles imparfaits en lieu et place des pré-modèles, mais avec des paramètres dont les valeurs ne sont pas cohérentes avec les informations scientifiques. Le travail à réaliser par les élèves sera alors dans un premier temps de repérer ces paramètres, puis de les modifier dans le sens des informations scientifiques. Cette variante sera plus simple pour une première approche de la modélisation numérique et peut être aussi une autre piste de différenciation pédagogique.
  • Une présentation orale du modèle appuyée sur des simulations « live » peut être envisagée pour chaque groupe ayant relevé l’un des défis. Cela peut être un moyen de travailler les compétences orales en vue du grand oral de terminale.

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