Microbiologie et génie génétique

Microbiologie et génie génétique
D’après le cours de Laurence Dupont
I) Le monde microbien
1) La diversité du monde microbien
Les trois domaines du vivant :
Eucaryotes (plantes, champignons, animaux)
Archaea (Sulfolobus, Methanogènes, Halophiles)
Bacteria
Microorganismes : 4 grands groupes :
- Procaryotes = BACTERIA + ARCHAEA
- Champignons = Unicellulaires (levures)
Pluricellulaires (moisissures)
- Algues
- Protozoaires = PROTISTES
Ce sont les Archeobactéries que l’on trouve dans les milieux les plus hostiles. Leur ADN ne
sera pas en fusion à 100°C, donc ce sont des organismes interessants à etudier d’un point de
vue biotechnologique.
Les virus ne sont pas vivants. Ils sont incapables de se procréer de manière autonome. Ce sont
des parasites obligatoires.
On trouve les bactéries surtout dans le sol et l’eau. Elles se retrouvent en grande concentration
dans les organismes Eucaryotes, le corps humain est constitué de presque plus de bactéries
que de cellules humaines.

Les microorganismes sont les pionniers de la vie sur Terre. L’apparition de l’oxygène est due
au fait que des bactéries deviennent aptes à effectuer la photosynthèse, les Cyanobactéries.
Elles colonisent les milieux extrêmes. Ce sont les ancêtres des organites Eucaryotes.
A l’origine des mitochondries, il s’agit d’une bactérie qui aurait envahit une cellule
Eucaryote. Les chloroplastes de la même maniere. C’est la théorie endosymbiotique.
2) Caractères généraux des Procaryotes – Eucaryotes
Points communs
Eucaryotes
Procaryotes
Cytoplasme (Cytosol)
oui
oui
Matériel Génétique
oui
oui (masse fibreuse, un seul
chromosome circulaire)
Membrane (cyto)plasmique
oui
oui
Différences
Noyau (+Membrane nucléaire)
oui
non
(Voir tableau 1.3)
Une bactérie fait environ de 0,5 à 1µm de long. Une cellule Eucaryote fait de 5 à 20µm.
Les Procaryotes ont une reproduction de type asexué (clonale). Ils se divisent par scissiparité
(division binaire).
3) La microbiologie d’hier et d’aujourd’hui
Effet des maladies sur la civillisation :
- 565 : Déclin de Rome : Peste bubonique, variole
- Moyen-âge : Epidémies de typhus, peste, variole, syphilis, choléra
- 1346 : Chine (Route de la Soie) : Epidémies de peste bubonique
- 1720-1722 : Epidémies de peste en France
- Défaites napoléoniennes : Moscou 1812 et Leipzig 1813 : Typhus, pneumonie,
dysenterie
Avant 1650 : période sombre (476-1000)
Miasme, être suprême, magie, génération spontannée.. ?
De 1650 à 1850 : remise en question des doctrines traditionelles (Période des lumières)

1) Les 1ers microscopes = 1650
- A. Van Leeuwenhoek (1632-1723) : 1ère description de bactéries.
- R. Hooke (1635-1703) : notion de cellules individuelle.
2) Contestataires de la doctrine de la génération spontanée
- F. Redi
- L. Spallanzani
- F. Schulze
etc..
3) La microbiologie apres 1850 : période moderne
- Louis Pasteur (1822-1895) : Stérilisation, fermentation de la bière, maladies
infectieuses (rage).
- L’école de Koch (1843-1910) et Coll : Anthrax, notion de colonie, culture pure.
Outils microbiologistes. Isolement de micro-organismes pathogènes responsables de
nombreuses maladies.
- Rôle des micro-organismes dans les cycles de la matière : M. Beijerinck (1851-1931).
S. Winogradsky (1856-1953).
Microbiologie = Organismes modèles en recherche fondamentale pour études de :
Nutrition
Métabolisme
Génétique
Biochimie
Biotechnologie microbienne : Pour quels secteurs ?
- Production d’aliments et de boissons (bière, vin, pain, produits laitiers,...)
- Additifs alimentaires (alcools, acides aminés, acides, polysaccharides, vitamines,...)
- Agriculture (plantes transgéniques, biopesticides)
- Pharmaceutique (antibiotique, stéroïdes, vaccins, peptides, hormones,...)
- Environnement (traitement de l’eau usée, de l’air et des sols pollués, bioextraction des
minerais, biocapteurs,...)
- Spécialités diverses : industrie de la pâte à papier, biotensioactifs, biocosmétiques,
biomatériaux, biocapteurs,...
II) Nutrition et croissance des micro-organismes
Nutrition dans le règne du vivant :
Plantes : Elles tirent l’energie de la lumiere et ont besoin de CO2 pour le carbone.
Animaux : Ils tirent l’énergie et le carbone des molécules organiques (bactéries, animaux,
végétaux).
Micro-organismes : Photosynthétiques et/ou utilisation de molécules organiques.
Ils ont une diversité métabolique différente des animaux et des végétaux.

On pense que pour chaque molécule carbonée naturelle qui existe à la surface de la planète, il
existe un micro-organisme capable de la métaboliser, même pour le cyanure, les
hydrocarbures, le TNT (Trinitrotoluène), le benzène, ...
Il y a une grande diversité métabolique d’une espèce à une autre. Certaines ne sont capables
d’utiliser qu’un composé carbonné, tandis que d’autres peuvent en utiliser jusqu’à une
centaine de différents. La nutrition chez les procaryotes est un processus par lequel les
microorganismes puisent et utilisent les aliments pour produire à la fois de l’energie et des
matériaux de structure.
Voir tableau 5.1
Comment constituer un milieu adéquat à la culture d’un micro-organisme ? Il va être basé sur
les éléments présents dans un micro-organisme. A 90% une bactérie est composée d’eau. Le
reste est représenté sur le tableau. Il y a surtout C, O, N, H, le reste étant des sels minéraux.
1) Les besoins nutritifs courants
a) Les macroéléments (95% du poids sec de la cellule).
- C, H, O sous forme de glucose, N sous forme de (NH4)Cl, P sous forme de PO42-, S sous
forme de (SO4)Mg en (g/L)
- K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+ (mg/L)
b) Les microéléments (ou oligoéléments)
- Mn, Zn, Co, Cu, Ni, Mg (µg/L)
c) Les facteurs de croissance
- Vitamines
- Bases puriques et pyrimidiques
- Acides aminés
Les bactéries prototrophes de type sauvage poussent sans facteurs de croissance.
Les bactérie auxotrophe de type mutant poussent seulement en présence de facteurs de
croissance.
Ex : Une bactérie auxotrophe vis à vis de la leucine (leu-) est incapable de synthétiser la
leucine (mutation dans la voie de biosynthèse de cet AA).
 Cet élément doit être rajouté dans le milieu de culture.
2) Entrée des nutriments dans la cellule bactérienne
Il n’y a pas d’endocytose chez les Procaryotes.
On a une membrane cytoplasmique contituée d’une bicouche phospholipidique, comme chez
les Eucaryotes. Elle est hydrophobe, donc hautement selective. L’eau s’y diffuse librement,
ainsi que plus ou moins alcools et acides gras.
Par contre, toutes les molécules polaires (ions, acides aminés, sucres..) ne diffusent pas.
Dans la niche écologique, la concentration en nutriments dans le milieu extérieur est très
faible. Il faut que cette concentration en nutriments soit 100 à 1000x supérieure à l’intérieur
du procaryote pour permettre sa croissance. Plusieurs cas de figure pour y arriver :

a) Transport passif (selon le gradient de concentration)
 Diffusion passive.
La bactérie n’a pas besoin de dépenser d’énergie sous forme quelconque.
 Diffusion facilitée (perméase membranaire)
A faible concentration, la diffusion facilité permet d’avoir une entrée plus importante que la
diffusion passive. On arrive à une phase plateau, où on arrive à un équilibre : une protéine
membranaire interne à la membrane cytoplasmique est utilisée, la perméase.
Les interactions du substrat avec la perméase changent sa conformation et ceci va permettre la
libération du nutriment à l’intérieur de la membrane.
Il existe plusieurs perméases qui possèdent une spécificité d’affinité, qui sera plus ou moins
grande en fonction du substrat.
Lorsque que la concentration du substrat sera trop importante on va arriver à une saturation,
car toutes les protéines seront occupées.
b) Le transport actif (contre le gradient de concentration, nécessite de l’énergie)
Lorsque la concentration en nutriments est plus importante à l’intérieur de la bactérie qu’à
l’extérieur :