2BIOS01 Procaryotes 2019

I. Lecture de texte

Lisez le texte suivant puis répondez aux questions qui suivent en privilégiant une approche collaborative au sein de la classe.

Les bactéries

Extrait du texte de Nathalie Caplet (2000) in La Recherche, vol.337, p.70

Observées pour la première fois au XVIIe siècle, elles n'ont longtemps guère suscité d'intérêt. Si, au XIXe siècle, leur caractère pathogène fut surtout mis en avant, on sait aujourd'hui qu'elles ont inventé l'oxygène atmosphérique, sont les reines du recyclage, habitent les milieux les plus extrêmes, participent au bon fonctionnement de notre corps et, surtout, que la majorité d'entre elles nous sont encore inconnues.

1. Qu'est-ce qu'une bactérie ? De l'ordre du micromètre (millième de millimètre), les bactéries sont les plus petits organismes vivants. C'est en 1665, grâce au nouvel instrument qu'était le microscope, que l'Anglais Robert Hooke, décrivant ses observations du liège, forge le mot « cellule » pour qualifier les structures qu'il voit y apparaître. Environ dix ans plus tard, Antoni von Leeuwenhoek, inspecteur des poids et mesures à la ville de Delft, se passionne pour la fabrication de microscopes à une seule minuscule lentille : il est ainsi le premier à observer des micro-organismes, qu'il appelle « animalcules », et il réalise des dessins très précis de différentes morphologies (sphériques, allongées ou en forme de spirale). Curieusement, en dépit de leur caractère spectaculaire, les observations de Leeuwenhoek ne donnent pas naissance à un nouveau champ de recherches. Pendant près de deux siècles, rares sont les savants qui s'intéressent à ces organismes ridiculement petits ! Il faut attendre le milieu du XIXe siècle pour que l'on tente de percer leurs secrets et pour que le mot « bactérie » (du grec baktêria , bâton) apparaisse. Les bactéries sont les organismes vivants les plus abondants sur Terre : leur masse cumulée serait comparable à celle des végétaux [Remarque de V. Menuz : les dernières estimations indiquent que la biomasse des Procaryotes est en fait 10x supérieure à celle de tous les Eucaryotes]. Elles sont présentes presque partout, autour de nous, sur nous et en nous. Chez un individu en bonne santé, on trouve en fait jusqu'à cent fois plus de bactéries (principalement sur la peau et dans l'intestin) que de cellules humaines. Une bactérie est une cellule, c'est-à-dire un amas de matière biologique entouré d'une membrane et contenant tous les éléments nécessaires à sa propre reproduction. En cela elle diffère fondamentalement du virus qui, environ dix fois plus petit, doit toujours envahir une cellule pour en utiliser les outils et se reproduire. Capables de transformations impressionnantes, liées à leur morphologie ou à l'assimilation même de leur nourriture, les populations de bactéries peuvent s'adapter aux variations de leur environnement, ou adopter en quelques générations seulement de tout nouveaux caractères, d'où l'infinie variété de leurs propriétés... Elles étaient là bien avant nous, et nous survivront sans doute longtemps encore !

2. Quel rôle ont-elles joué dans l'évolution ? On sait que des organismes unicellulaires existaient déjà il y a 3,5 milliards d'années, soit environ un milliard d'années après la formation de la Terre. Les fossiles retrouvés (les stromatolites) sont semblables à ceux formés aujourd'hui par des organismes capables d'effectuer la photosynthèse : les cyanobactéries. Ces fossiles sont en réalité des structures calcaires résultant de l'activité photosynthétique des bactéries pendant leur multiplication. Les bactéries primitives vivaient dans un environnement sans oxygène, mais elles en produisaient. Elles seraient donc à l'origine de l'accumulation de cet élément dans l'atmosphère. Cependant, l'oxygène leur étant toxique, seules celles devenues résistantes survécurent. En s'adaptant à ce bouleversement des conditions de leur environnement, elles développèrent une nouvelle manière de créer de l'énergie : on leur doit donc non seulement l'oxygène atmosphérique lui-même, mais aussi le principe de la respiration. Les cellules bactériennes primitives évoluèrent pour donner trois familles d'organismes. De la première descend la grande majorité des bactéries que nous connaissons. Un deuxième groupe a évolué pour donner des bactéries atypiques, les archæbactéries, présentes de nos jours dans des conditions extrêmes, depuis les glaces antarctiques jusqu'à l'intérieur d'un réacteur nucléaire actif, ainsi que dans des environnements plus ordinaires. La troisième famille évolua, il y a au moins 1,4 milliard d'années, vers un nouveau type de cellules dites eucaryotes. Celles-ci donnèrent plus tard les êtres multicellulaires et, finalement, les champignons, plantes et animaux. Mais les liens qui nous unissent aux bactéries ne relèvent pas que de la simple généalogie. Certains organes essentiels des cellules eucaryotes descendraient de bactéries « englouties » par leurs ancêtres : c'est le cas des mitochondries, chargées de produire l'énergie pour la cellule, et des chloroplastes, organes de la photosynthèse chez les plantes vertes.

3. Pourquoi sont-elles indispensables à la vie ? Les bactéries effectuent l'activité la plus essentielle au maintien de la vie sur Terre : le recyclage de la matière vivante. Ainsi, certaines bactéries, les saprophytes, permettent que, lorsque les plantes et les animaux meurent, leurs atomes de carbone ne soient pas perdus pour tous : ces bactéries les libèrent sous forme de dioxyde de carbone réutilisable. Les plantes vertes sont généralement le premier maillon des chaînes alimentaires. A partir du dioxyde de carbone contenu dans l'atmosphère et grâce à la photosynthèse, elles peuvent créer leur propre matière vivante, autrement dit pousser. Les animaux se nourrissent alors de ces plantes, ou se mangent entre eux. Sans recyclage par les bactéries « décomposeuses », la quantité de dioxyde de carbone de l'atmosphère ne ferait que diminuer, le carbone restant prisonnier des cadavres. Autre élément essentiel de la matière vivante, l'azote est aussi présent sous des formes inorganiques dans le sol et dans l'atmosphère. Les plantes peuvent ainsi utiliser certaines formes d'azote inorganique du sol pour créer de la matière vivante. Mais toutes les autres étapes du cycle de l'azote, très important pour l'agriculture, dépendent de bactéries. De fait, lorsque des céréales sont moissonnées, elles emportent avec elles l'azote puisé dans la terre. Si l'utilisation d'engrais chimique ou organique permet d'enrichir la terre en azote, une autre possibilité consiste à planter une année des légumineuses comme le trèfle : ces plantes vivant en association avec des bactéries capables de fixer directement l'azote de l'atmosphère, l'azote concentré dans les plantes enrichit la terre quand elles meurent.

4. En quoi sont-elles différentes des autres cellules ? Les cellules bactériennes dites procaryotes (« noyau primitif ») diffèrent fondamentalement des autres cellules, des levures aux animaux, qui sont dites eucaryotes (« vrai noyau »). La cellule eucaryote possède une membrane qui entoure ses chromosomes, alors que le chromosome de la bactérie « flotte » dans la cellule. Les procaryotes n'ont qu'un (parfois deux) chromosome, qui est généralement circulaire et bien plus petit que les chromosomes linéaires des eucaryotes. Les bactéries sont dix à cent fois plus petites que les cellules eucaryotes, ce qui leur permet d'avoir un rapport surface/volume élevé : les échanges de molécules avec l'environnement extérieur peuvent se faire beaucoup plus rapidement. Les bactéries réagissent plus vite aux variations extérieures, elles digèrent plus vite et, généralement, se reproduisent aussi plus vite que les cellules eucaryotes. Ces dernières sont en revanche plus sophistiquées : elles disposent d'organes spécialisés, ce qui n'existe pas chez les bactéries. De plus, elles établissent souvent des interactions avec leurs cellules voisines. Chez les organismes eucaryotes complexes comme les mammifères, il se crée même une spécialisation des cellules en différents tissus. Comme si chaque cellule travaillait non seulement pour son propre profit, mais aussi pour le profit de l'organisme tout entier. Les bactéries, en revanche, ne pratiqueraient que le chacun pour soi !

5. Comment se multiplient-elles ? Pour la plupart, elles se reproduisent selon un procédé asexuel où chacune grandit en taille, duplique son chromosome, puis se divise en deux bactéries identiques, ou clones. Chez les plus prolifiques, la population peut ainsi doubler toutes les vingt minutes ! Les conditions nécessaires à la multiplication varient d'un type de bactérie à l'autre. Par exemple, pour les unes, la présence d'oxygène est essentielle, d'autres supportent sa présence mais n'en ont pas spécialement besoin, alors que pour d'autres enfin l'oxygène est toxique. La température optimale de multiplication varie aussi beaucoup selon le lieu de vie des bactéries, du froid Antarctique aux sources hydrothermales où il fait près de 100 °C. Les bactéries ont généralement besoin d'humidité pour se reproduire et toutes ont besoin de « nourriture » pour obtenir les éléments de base de la matière vivante, carbone, oxygène, azote et phosphore en particulier. Chaque type de bactéries a son régime propre d'éléments organiques ou minéraux, toute matière naturelle (parfois même artificielle) pouvant être assimilée par au moins un type de bactéries ! Les bactéries ont aussi toutes besoin d'énergie, qu'elles obtiennent soit directement du Soleil, soit, plus couramment, des aliments qu'elles assimilent.

6. Comment échangent-elles de l'information ? Comme mode de communication original, les bactéries utilisent le transfert d'information génétique, c'est-à-dire de morceaux d'ADN (voir figure ci-contre). Le transfert direct de bactérie donatrice à réceptrice est appelé « conjugaison ». Ceci ne peut avoir lieu que si la première possède un appendice allongé ( pilus « sexuel ») pour harponner la bactérie réceptrice. Les deux partenaires entrent ensuite en contact et l'ADN est transféré. Bien que les bactéries soient des organismes asexués, la donatrice est appelée « mâle » et la réceptrice « femelle », par analogie avec les animaux. Les bactéries souffrent, elles aussi, d'infections virales : les virus entrent dans les cellules pour s'y reproduire, leur progéniture allant ensuite s'attaquer à d'autres bactéries. Ce faisant, les virus transportent parfois avec eux de l'ADN bactérien qui passe ainsi d'une bactérie à une autre, un phénomène appelé « transduction ». Le dernier mode de transfert est la « transformation » : certaines bactéries sont capables de s'approprier de l'ADN flottant librement autour d'elles après la mort d'autres bactéries. Ces trois modes d'échange d'ADN ont lieu dans la nature, résultant par exemple en un transfert des gènes de résistance à des antibiotiques. Ces techniques sont aussi très largement utilisées en laboratoire pour modifier les caractères des bactéries.

7. Comment les étudier ? Pour être sûr de n'étudier que la bactérie voulue, on doit obtenir, dans des conditions stériles, une culture pure constituée uniquement de bactéries identiques. En les diluant fortement, il est possible, sans les voir, de déposer les bactéries bien séparées les unes des autres sur un gel nutritif. Certaines pouvant se reproduire trois fois par heure, chacune peut donner en moins d'une journée une « colonie » de un ou de deux millimètres de diamètre, contenant des milliards d'individus tous identiques, car issus d'un même parent. L'une des premières techniques inventées en bactériologie fut la coloration des bactéries pour l'observation au microscope. La coloration de Gram, qui date de 1884 et permet de classer les bactéries en deux groupes, est encore très utilisée de nos jours. Bien qu'on emploie le même terme, les « espèces » bactériennes sont définies de manière tout à fait différente des espèces animales et végétales. Pour classifier les bactéries, on ne peut en effet utiliser ni l'interfécondité (les bactéries n'ont pas besoin de deux partenaires pour se reproduire) ni les différences morphologiques (pas assez significatives). C'est en testant les caractères biochimiques d'une colonie - quelle réaction chimique est-elle capable d'effectuer ? Quel type de « nourriture » peut-elle assimiler ? - et immunologiques - avec quels anticorps réagit-elle ? - que l'on détermine à quelle espèce elle appartient. La classification des organismes a pour ambition de représenter les différents embranchements de l'évolution mais, depuis l'avènement des techniques de séquençage, les comparaisons d'ADN bactériens ont fourni des informations généalogiques différentes de celles venant de méthodes traditionnelles. La classification bactérienne reste donc un sujet de controverse !

(…)

8. Quels atouts possèdent-elles pour infecter les animaux et les plantes ? Robert Koch fut le premier à démontrer, en 1878, le rapport entre une espèce bactérienne et une maladie donnée. On sait maintenant que chaque espèce de bactéries pathogènes, c'est-à-dire capables de créer une infection, dispose de sa propre panoplie d'armes. Pour atteindre leur lieu d'attaque, certaines bactéries possèdent un ou plusieurs flagelles, sortes de longues queues qui, en tournant comme des hélices, permettent aux bactéries de « nager ». Elles possèdent parfois aussi à leur surface de petits « cheveux » (pili ou fimbriae) bien pratiques pour s'ancrer dans l'intestin ou la vessie, par exemple, et ne pas se laisser emporter par le courant... Une fois bien installées sur leur lieu d'infection, nombreuses sont les bactéries pathogènes qui produisent une ou plusieurs toxines. Ces molécules poisons attaquent les cellules de façons très variées, et provoquent des symptômes divers sur l'individu infecté (l'hôte) : vomissements, paralysie, fièvre. Certaines bactéries possèdent de véritables seringues pour injecter leurs toxines directement à l'intérieur des cellules de l'hôte. D'autres entrent elles-mêmes tout entières dans ces cellules où elles se cachent du système immunitaire. Selon l'espèce, les bactéries vont créer leurs dégâts sur le lieu d'infection (par exemple, l'intestin), ou s'infiltrer pour envahir des parties normalement stériles de l'hôte (comme le système sanguin). Confrontées au système immunitaire, certaines vont tenter de résister, tandis que les plus agressives l'attaqueront de front. Passer directement d'un hôte à un autre peut permettre la survie de bactéries trop fragiles pour l'extérieur, comme le sont celles des maladies sexuellement transmissibles. Quand l'environnement devient trop rude - en particulier trop sec -, certaines sont capables de former une sorte de cocon (spore) où elles attendent comme en hibernation que les conditions s'améliorent pour pouvoir à nouveau se multiplier. Récemment, des chercheurs ont annoncé avoir ranimé des spores apparemment vieilles de 250 millions d'années (…).

9. Comment fonctionnent les antibiotiques ? Nos nombreux antibiotiques sont en fait des produits naturels de bactéries ou de champignons qui, eux-mêmes, sont résistants aux molécules qu'ils produisent pour lutter contre des bactéries rivales. Les antibiotiques interfèrent avec un certain nombre de mécanismes bactériens. Certains empêchent la formation de l'enveloppe bactérienne pendant la multiplication : incapables de rester étanches, les bactéries ne peuvent survivre. D'autres agissent au niveau de la production des protéines, molécules clés pour le fonctionnement de toute cellule. Tous les antibiotiques ne tuent pas les bactéries : certains les empêchent de se multiplier, donnant ainsi plus de chances au système immunitaire de les éliminer. Heureusement, les antibiotiques sont généralement sans effet sur les cellules eucaryotes car les molécules cibles y diffèrent suffisamment pour que les antibiotiques ne puissent pas s'accrocher.

10. Comment utiliser les bactéries à notre avantage ? Sans en avoir conscience, notre corps tire en permanence profit des bactéries. Les bactéries non-pathogènes qui nous accompagnent sont les rivales essentielles de leurs consoeurs pathogènes. Nos alliées intestinales non seulement réalisent une partie de notre digestion, mais certaines sont aussi notre seule source de vitamines (K, B12). Plus nous apprenons à connaître les bactéries, plus nous sommes en mesure de tirer parti de l'éventail formidable de leurs activités. Celles qui transforment les sucres en acide lactique interviennent depuis longtemps dans la production de nombreux aliments : fromage, salami, cornichons, vins... D'autres nous aident aujourd'hui à recycler l'eau dans les stations d'épuration. D'autres encore « digèrent » nos polluants, des marées noires aux déchets de l'industrie chimique. Comme nous l'avons vu, de nombreux antibiotiques sont issus de bactéries, en particulier de la famille des Streptomyces . Si l'on recrée les conditions adéquates, elles peuvent en produire des quantités industrielles ! En insérant des gènes dans leur ADN, nous utilisons aussi les bactéries comme des usines pour produire des molécules qui leur sont étrangères. C'est ainsi que l'on produit industriellement de nombreux médicaments (dont l'insuline pour les diabétiques), et de nombreux additifs pour l'industrie alimentaire. Enfin, puisque la grande majorité des espèces bactériennes reste encore à découvrir, comment s'empêcher de rêver au réservoir quasi infini des molécules qu'elles produisent ?

II. Questions

• questionnaire élaboré par Vincent Menuz

1. Citez les trois morphologies bactériennes que l’on connait.

Sphérique, allongée ou en forme de spiral. YanisA (discussion) 24 janvier 2019 à 10:37 (CET)

2. Que signifie le mot « bactérie » ?

"Bactérie" signifie "bâton" en grec. YanisA (discussion) 24 janvier 2019 à 10:38 (CET)

10. Quelles sont les différences fondamentales entre les cellules procaryotes et les cellules eucaryotes ?

Les cellules eucaryotes possèdent un noyau, des mitochondries et des chloroplastes.--LisaH (discussion) 24 janvier 2019 à 10:39 (CET)

11. Si une seule et unique bactérie est capable de se dédoubler toutes les 20 minutes, déterminez le nombre de bactéries attendues après 60 minutes.

8 bactéries seront attendues après 60 minutes--MayaH (discussion) 24 janvier 2019 à 10:40 (CET)

17. Imaginez une population de bactérie d’espèce « A ». On asperge cette colonie avec un antibiotique auquel l’espèce « A » est sensible. Que se passe-t-il si une seule bactérie « A » de cette population a développé une innovation évolutive qui la rend résistante à l’antibiotique ? Que pouvez-vous en conclure quant à l’utilisation massive d’antibiotique (i) dans l’élevage porcin et (ii) dans un but de prévention des maladies humaines.

---

• retour à Bactéries_et_microbiote_2019
  
• retour à Accueil