P2 UE 8 JJH Morphologies et structures bactériennes 130217 (word)

publicité
UE 8 - De l’agent infectieux à l’hôte
Jean Jacques Hoareau
Date : 13/02/17
Plage horaire : 14h-16h
Promo : P2 2016 -2017
Ronéistes : GOULED Talïé,
DCP Antoine,
METZGER Valentin
La cellule bactérienne:
Morphologie et Structure bactériennes.
Sommaire :
I. Généralités
1.
2.
3.
4.
Qu’est-ce qu’une bactérie ?
La place des bactéries dans le règne vivant
Organisation des cellules eucaryotes et procaryotes
Morphologies bactériennes
A. Les formes
B. L’arrangement caractéristique
II. Structures cellulaires
1. Les composants obligatoires
A. La membrane cytoplasmique
B. Le cytoplasme (cytosquelette, nucléoïde, corps d’inclusions…)
C. La paroi (structure, caractéristiques)
2. Les structures facultatives
A. La capsule, couche mucoïde, couche S
B.Pili et Fimbriae
C.Les flagelles et la chimiotaxie
D.Les spores
E. Les plasmides
a) Conjugatifs
b) De résistance
c) Bactéricides
d) De virulence
e) Métaboliques
III.Taxonomie
1. Taxonomie moléculaire
2. Classification médicale
I.
Généralités
1. Qu’est-ce qu’une bactérie ?
Les bactéries ont été découvertes pour la première fois à la fin du XVIIème siècle par A. Van
Leeuwenhoek qui a appelé les bactéries animalcules (animaux minuscules).
Ce n’est qu’au XIXème siècle que l’on découvre leur rôle dans la fermentation (L. Pasteur) et la
transmission de pathologies (Robert Koch (prix Nobel en 1905)), qui a donné son nom aux bacilles de Koch, (agents de la tuberculose).
2. La place des bactéries dans le règne vivant
De façon globale, quand on s'intéresse aux agents infectieux étant pathogènes pour l’homme on en
compte aujourd’hui 1600, dont une grosse moitié (entre 700 et 800) étant des bactéries, donc le
mieux, c'est de les connaitre.
On distingue les eucaryotes (vrai noyau) avec les procaryotes (cellules qui n’ont pas de noyau).
Parmi les procaryotes dont on verra différentes familles et différents genres ayant leurs particularités, on devra bien distinguer les archées des bactéries.
Bien heureusement les seuls procaryotes ayant un pouvoir pathogène pour l’homme sont les bactéries, les archées en sont dépourvues.
On peut comparer les ordres de grandeur des différents êtres
vivants. Certains parasites (vers intestinaux) peuvent être plus
grand que l’homme.
En terme d’échelle, les bactéries sont majoritairement des
êtres unicellulaires dont la taille est de l’ordre du micromètre
(allant de 0 et 200 micromètres). C’est à peu près la taille
d’une mitochondrie c’est à dire qu’il y a des bactéries plus
grandes que les mitochondries voire plus grande que certaines
cellules humaines.
De 10 à 100 fois plus petits que les bactéries on retrouvera les
virus.
Les bactéries étant de l’ordre du micromètre sont visibles au
microscope photonique classique. Vous verrez que malgré tout
en TP, avec un grossissement minimum de x1000 les bactéries
apparaissent encore assez petites. Par contre, les virus qui
n’appartiennent pas au monde du vivant ne sont pas visibles
au microscope photonique et il faudra passer au microscope
électronique.
En ce que concerne les agents infectieux qui sont encore
considérés comme non vivants (les prions), ils appartiennent
aux agents transmissibles non conventionnels (ce sont des protéines de l’ordre de 100 à 1000 fois plus petits que les virus).
Les bactéries sont en contact permanent avec l’homme, dans 90% des cas, lorsque l’on va développer une pathologie suite à une infection par une bactérie, c’est souvent une auto-contamination.
Ce sont des bactéries, pas forcément pathogènes (opportunistes), qui ont eu l’occasion de rentrer
(par l’intermédiaire d’une blessure…) et vont pouvoir se multiplier et se développer. Donc, certaines bactéries sont capables d’envahir le corps humain et de le coloniser, mais si l’on regarde le
monde bactérien ça ne représente qu’une toute petite fraction : ce qui veut dire que la majorité
des bactéries, au contraire, sont bénéfiques. Il ne faut donc pas voir les bactéries comme quelque
chose de forcément mauvais, il y en a qui sont en contact permanent avec nous, nos tissus, vivent en
équilibre avec nous et au contraire empêchent les bactéries pathogènes de se développer. Il faut
donc protéger cette flore bactérienne notamment celle du tube digestif qui permet de dégrader les
matières végétales, certaines produisent même des vitamines, et si nous respirons c’est grâce aux
bactéries notamment qui sont capables de participer à la synthèse d’oxygène.
Voici l’arbre du vivant (avec
ses branches mortes) global
avec les espèces actuelles et
éteintes. On retrouve le
groupe des eucaryotes (auquel on appartient) ainsi
que le groupe des bactéries
qui occupent plus du tiers
de l’arbre du vivant : donc
elles sont très nombreuses
et diversifiées au sein du
monde vivant.
3.
Organisation des cellules eucaryotes et procaryotes
Un certain nombre de points vont permettre de distinguer les procaryotes des eucaryotes :
Le premier point est l’échelle : la grande majorité des bactéries étant entre 0,2 et 2,5 micromètres
(même si on peut aller beaucoup plus loin).
Au niveau du noyau, les eucaryotes ont un vrai noyau, une véritable enveloppe et surtout des compartiments endomembranaires. Alors que chez les bactéries, il n’y a pas de noyau (pas d’enveloppe
nucléaire).
Il n’y a pas de compartimentation endomembranaires non plus, il n’y a pas de mitochondries, pas
de lysosomes, pas de Golgi pas de réticulum endoplasmique… Cependant, cela ne veut pas dire que
dans une bactérie tout est mélangé ; on verra qu’à l’intérieur des bactéries il existe un cytosquelette qui permet de structurer son intérieur. La bactérie possède aussi toute la machinerie moléculaire nécessaire notamment les ribosomes mais qui ont une structure qui est sensiblement différente
de celle des eucaryotes.
4.
Morphologie bactérienne
A) Les formes
Il y a principalement deux formes bactériennes : soit sphériques qu’on va appeler les coques, soit
en bâtonnets qu’on va appeler les bacilles.
Parmi les exemples de coques ci contre (qu’il faut connaitre), on retrouve un des membres les plus
fréquemment rencontrés dans les pathologies : E.Coli, ou encore le staphylocoque doré ou Staphylococcus aureus.
Chez les bacilles c’est beaucoup plus diversifié, car on pourra retrouver des formes de bâtonnet
mais en plus on va pouvoir observer des formes (du fait qu’ils soient allongés) un peu particulières
parfois avec des bactérie spiralées ou informe de virgule…
B) L’arrangement caractéristique
Un 2ème niveau d’observation s’intéresse à comment s’organise ces différents types bactériens, ce
qui va permettre de faciliter leur identification. C’est une identification en fonction de la forme et
de l’arrangement caractéristique.
Coques :
- Cellules individuelles (le plus souvent)
- Paires : diplococcus
- Chaines : Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus
- Amas/grappes : Staphylococcus
- Tétrades : Micrococcus
- Sarcina : agglomérats de 8 cellules
Ces divers arrangements sont liés au plan de division cellulaire.
Bacilles:
- Cellules solitaires le plus souvent
- Quelque cas de paires ou chaînes : Bacillus megaterium
- Rapport longueur/largeur très variable qui peut prêter à confusion comme avec les coccobacilles =
très courts + très large ayant un aspect de coques.
Autres:
A partir des bacilles vous pouvez avoir des formes un peu particulières:
- Vibrions : aspect en bâtonnets incurvés en virgule.
- Spirilles : bactéries spiralées +/- présence de flagelles (touffes) à 1 ou 2 extrémités
- Spirochètes (cas particulier de spirilles) : flagelle interne dans l’espace intermembranaire (Leptospira transmis notamment pas certains rongeurs, Borrelia, Treponema).
- Actinomycètes : forme un mycélium similaire aux champignons filamenteux.
On peut donc trouver une pléthore de formes, de structures et d’arrangements.
II. Structure cellulaire
L’observation des formes des bactéries au microscope (X1000), quoique peu détaillée, constitue la
première étape de l’identification.
De quoi sont constituées les bactéries ? Ci contre un schéma qui récapitule les différents composants d’une bactérie. De l’intérieur vers l’extérieur on aura:
Un nucléoïde (au centre de la bactérie) contiendra majoritairement du matériel génétique (ADN et
ARN) et contiendra un certain nombre de protéines.
Le nucléoïde sera retrouvé dans le cytoplasme où on va avoir toute la machinerie cellulaire, dont
un certain nombre de granules d’inclusion cytoplasmique, ce sont des inclusions surtout de réserve
et qui vont permettre aux bactéries de pouvoir stocker un certain nombre d’éléments au cas où il en
manquerait d’en le milieu environnant.
Tout ceci sera enrobé dans une membrane cytoplasmique dont la structure est globalement similaire à celle retrouvée chez les eucaryotes.
Autour de la membrane cytoplasmique on a une paroi : on verra que chez les bactéries il y a deux
structures de paroi en particulier qu’on peut mettre en évidence par la coloration de GRAM. La
paroi va conférer à la bactérie sa forme et la protéger.
Au delà de cette paroi on retrouvera d’autres structures notamment des pili également appelés fimbriae ou des structures motrices telles que les flagelles qui peuvent être uniques ou multiples, polaires ou non etc…
D’autres éléments constitutionnels des bactéries sont retrouvés dans le tableau.
1. Les composants obligatoires.
A)
La membrane cytoplasmique.
La membrane cytoplasmique, comme chez les eucaryotes, est composée d’une bicouche lipidique
(têtes polaires à la surface et des queues apolaires au milieu). Dans cette bicouche lipidique vous
allez retrouver des protéines intrinsèques, extrinsèques, périphériques. Sur la face externe, des
structures oligosaccharidiques sont rattachés aux protéines (ou aux lipides membranaires). Tout
ceci permet des échanges avec le milieu extérieur.
La membrane cytoplasmique ne contient pas de stérols sauf les hopanoïdes.
Il y a une partie que le professeur a volontairement rayée, en effet : il y a encore 4 ou 5 ans
on disait que les bactéries, pour augmenter leur espace d’échange avec le milieu environnant, sont
capables de former des replis membranaires (sortes d’invaginations membranaires). Toutes ces
structures qu’on appelle des mésosomes, des lamelles ou des tubes dont on pensait avoir des propriétés (augmentation de la surface membranaire…) qui seraient liées à des invaginations membranaires plus ou moins complexes, sont des artefacts qui n’existent pas en réalité. Ces artéfacts ont
été révélés grâce à la microscopie électronique, dans la réalité, ces structures n’existent pas.
Bien évidemment, à l’intérieur de la bactérie on va retrouver un cytosquelette avec les molécules
classiques qui vont venir soutenir et interagir avec cette membrane cytoplasmique et aider à conférer aux bactéries leurs formes.
B) Le cytoplasme (cytosquelette nucéoïde…).
La membrane plasmique + tout le contenu bactérien est appelé protoplaste.
Dans ce cytoplasme (qui ne comporte pas d’orangistes internes) on va retrouver :
- Un cytosquelette
- Des corps d’inclusions
- Tout ce qui est nécessaire à la machinerie cellulaire : ribosomes…
- Un nucléoïde (qui va contenir le matériel génétique)
- En fonction des bactéries, on retrouvera du matériel génétique qui est considéré comme extrachromosomique : le(s) plasmide(s) facultatif(s), les bactéries n’en n’ont pas besoin mais vont cependant leur apporter un avantage.
Tout cela est en suspension dans de l’eau, qui représente 70% de la masse d’une bactérie. L’eau est
donc un facteur extrêmement limitant pour la croissance bactérienne et va impacter le développement bactérien. L’eau représente 70% de la masse bactérienne.
Le cytosquelette :
Le cytosquelette est semblable à celui retrouvé chez les eucaryotes et on va retrouver des microfilaments, filaments intermédiaires et microtubules…
La fonction du cytosquelette est la même que chez les eucaryotes avec :
- la division cellulaire
- la localisation protéique au sein de sites cellulaires
- il donne à la cellule sa forme
Les corps d’inclusion:
Les corps d’inclusion (qui sont retrouvés dans le cytoplasme des bactéries) sont des formes de réserve sous forme de granules de nature organique ou inorganique, leur nombre est variable en
fonction de l’état nutritionnel de la cellule.
Les granules de P, de S et de Fe sont nécessaires à la croissance bactérienne et peuvent constituer
des réserves énergétiques ou métaboliques. Parmi les corps d’inclusion on trouve également des
vacuoles gazeuses. Il faut comprendre que toutes les bactéries ne possèdent pas forcément de structures locomotrices, elles vont donc se conférer des vacuoles gazeuses qui vont permettre à la bactérie de flotter et quelque part de se déplacer dans un environnement aquatique.
Ces corps d’inclusion servent donc d’éléments de réserves ou permettent d’empaqueter les molécules. Les corps d’inclusion sont inclus ou non dans une monocouche de protéines et de phospholipides assurant un rôle de membrane permettant d’isoler ces inclusions au sein du cytoplasme.
Le nucléoïde :
L’absence d’enveloppe nucléaire constitue la principale différence avec les eucaryotes. Le nucléoïde a une forme irrégulière.
Il contient le matériel génétique chromosomique de la bactérie il s’agit généralement d’un seul
chromosome, double brin d’ADN circulaire, il y a cependant des bactéries avec plusieurs chromosomes ou avec un ADN linéaire.
Composition du nucléoïde :
- 60% d’ADN (empaqueté par enroulement sur lui-même, pas d’histones).
- 30% d’ARN (de transfert, messager…).
- 10% de protéines (participant à l’expression du génome).
Ce nucléoïde contient un unique chromosome généralement circulaire mais pas toujours (il ne
lit pas les exemples de la diapo ci contre : Leptospira possède 2 chromosomes, Borrelia burgdorferi
possède 1 chromosome linéaire).
Lorsque les bactéries vont se répliquer, elles vont ensuite se diviser par un mode de scissiparité.
Les bactéries se répliquent en mode thêta à partir de l’origine de réplication. Pour assurer la ségrégation du génome bactérien au cours de la division cellulaire, l’origine de réplication va être
maintenue au niveau de la membrane cytoplasmique. Ceci, de manière à ce que lors de la réplication de l’ADN, les origines de réplication puissent être ségréguées de chaque côté de la bactérie de
façon à ce que lors de la division en deux de la bactérie, chaque bactérie hérite d’un chromosome.
On a à un bout une origine de réplication (ORII), et de l’autre côté un signal de terminaison de réplication.
Une fois les 2 chromosomes filles formées il y aura un septum qui va permettre de diviser la bactérie en deux.
Explication de l’année dernière :
Ce schéma illustre la réplication en mode thêta. Elle se fait donc toujours à partir d’une origine de
réplication (ORI). Une fois cette dernière dupliquée, elle reste étroitement liée à la membrane et
grâce aux mouvements du cytosquelette, les 2 chromosomes fils se séparent. Un septum (protéines
se forme alors et permet la séparation des 2 cellules filles.
Ce phénomène peut induire en erreur lorsqu’on observe les bactéries en laboratoire, en effet dans
les conditions de cultures, les bactéries sont en « croissance constante » ce qui fait que la plupart
du temps au lieu de voir un chromosome on en verra deux dans la bactérie pour préparer la division cellulaire.
A côté de cela on va avoir du matériel extra-chromosomique notamment les plasmides bactériens
qui n’ont aucune obligation de se multiplier lorsque le génome bactérien le fait. On peut se retrouver avec un grand nombre de plasmides bactériens par cellules pouvant atteindre une centaine
d’unités. Il n’existe cependant pas de systeme de partition qui permet à ce que chaque bactérie
fille hérite d’un plasmide bactérien (certaines bénéficieront d’un plasmide d’autres pas).
C) La paroi bactérienne
La paroi : Couche rigide située à l’extérieure de la membrane plasmique (à l’origine de la coloration de GRAM).
Qu’on soit chez les GRAM+ ou les GRAM-, une des fonctions de la paroi est qu’elle va constituer
une couche rigide au-delà de la membrane cytoplasmique qui va permettre de protéger la bactérie
contre le choc osmotique, une bactérie sans paroi devient extrêmement fragile et meurt généralement. C’est d’ailleurs la fonction d’un groupe d’antibiotique que sont les ß-lactamine qui empêche
la création de ces parois. Elle participe également à lui conférer sa forme. La paroi contribue aussi
au pouvoir pathogène.
Au-delà de la membrane plasmique (MP), la paroi est beaucoup plus épaisse chez les GRAM+
que chez les GRAM-.
Au-delà de la MP chez les GRAM+, il y a un espace péri-plasmique (P) et à l’extérieur, une succession de couches épaisses de peptidoglycanes.
Au-delà de la MP chez les GRAM-, il y a un espace péri-plasmique (P), puis une seconde membrane (OM) qu’on appelle la membrane externe. Dans l’espace péri plasmique, on retrouve 1 ou 2
couches de peptidoglycanes.
C’est un aspect très important en terme d’identification bactérienne car toutes les bactéries n’ont
pas une paroi formée de la même façon. Elle va conférer des propriétés différentes aux bactéries et
une notamment qui est la coloration de GRAM. Les GRAM+ retiennent le colorant alors que les
GRAM- ne le retiennent pas.
GRAM + : Membrane cytoplasmique avec des protéines membranaires + couche épaisse de peptidoglycanes ; et notamment au sein de ces peptidoglycanes de l’acide lipotéichoïque (qu’on ne
retrouve pas chez les GRAM-), structures lipidiques permettant de relier cette couche épaisse de
peptidoglycanes à la couche externe de la MP.
GRAM - : Membrane interne cytoplasmique + espace périplasmique (avec 1 à 2 couches de peptidoglycanes) et une membrane externe souvent riche en protéine car elle doit pouvoir permettre les
échanges avec le milieu extérieur (on y retrouvera des pores ; toutes les molécules de plus de 200
nm vont devoir passer par des transports actifs). Souvent chez les GRAM-, on retrouvera des
lipopolysaccharides (LPS) enchâssés au niveau de la couche externe de la membrane externe.
Structure de la paroi :
1 couche épaisse et homogène de peptidoglycanes (muréine) de 20-80 nm
d’épaisseur se trouvant juste à l’extérieur
de la membrane plasmique.
1 couche de peptidoglycanes (muréine)
de 2-7nm d’épaisseur
+
1 membrane externe de 7-8nm
d’épaisseur
En termes de terminologie, pour bien préciser les choses :
La paroi = Peptidoglycane +/- Membrane externe (si gram -)
L’enveloppe = Ensemble des structures à l’extérieur de la MP
= Paroi + Périplasme (contenu de l’espace périplasmique) + Capsule.
Structure de la paroi : le peptidoglycane (= couche de muréine) C’est un enchainement alterné de sucres (N-acétyle-Glucosamine « NAG » et acide N-acétyleMuramique « NAM ») associés entre eux par des tétrapetides (L-alanine, D-glycine, D-Glu, L-Lysine, D- alanine,
DAP) constitués d’acides aminés L et D alternés, reliés entre
eux par pontage direct ou par des liaisons esters inter-peptides.
⇨ Il assure rigidité et protection des bactéries (limite le passage des antibiotiques).
⇨ Il est aussi la cible d’antibiotiques et du lysozyme (ciblant
les acides aminés. L non dégradés par les peptidases).
Structure de la paroi : Coloration de GRAM (automatisée aujourd’hui)
Après avoir vu les caractéristiques des parois des bactéries GRAM+ ou GRAM-, il faut aborder le
principe de cette coloration GRAM qui est à la base de nombreux diagnostics.
Protocole :
1. Les bactéries sont colorées au violet de gentiane (ou au cristal violet) qui traverse l’enveloppe et
colore le cytoplasme. Puis elles sont plongées dans du lugol (mordançage) qui se fixe au niveau
de toutes les structures protéiques présentes dans la cellule, ce qui permet de maintenir la coloration.
2. Les bactéries sont soumises à l’action décolorante de l’alcool qui traverse très bien les bicouches
lipidiques. Les GRAM+ ayant une paroi plus épaisse et plus imperméable à l’alcool ne se décolorent pas. (Il ne faut pas dépasser un temps limite car l’alcool pénètrerait aussi dans les GRAM
+)
3. Afin de mieux visualiser les bactéries décolorées (GRAM-), on procède à une contre coloration à
l’aide de fuchsine ou de safranine.
1. Les bactéries GRAM + apparaissent violettes
2. les bactéries GRAM- se recolorent en rosé/orange.
Principe : le violet de gentiane se fixe sur des composants cytoplasmiques et après ce temps de coloration, toutes les bactéries sont violettes.
Chez les bactéries Gram +, la paroi épaisse constitue une barrière imperméable à l’alcool qui ne
peut décolorer le cytoplasme.
Caractéristiques des parois : Récapitulatif
(Echange + compliqué avec milieu extérieur)
(Protéines de la membrane externe)
(Présence de la membrane externe)
Il faut noter que l’acide téichoïque est présent en grande quantité chez les GRAM+, alors qu’il est
quasiment absent chez les GRAM- ➔ On l’utilise donc en tant que facteur de détection.
Parmi les composés importants qu’on retrouve chez la plus grande partie des bactéries GRAM-, on
peut citer le lipopolysaccharide (LPS) qui est une structure ancrée à la membrane externe se divisant en 3 parties :
1. Le lipide A (partie lipidique du LPS) permet l’enchâssement dans la couche lipidique de la membrane externe. Il est cytotoxique. Ainsi, quand une bactérie GRAM- meurt et qu’une grande
quantité de LPS est répandu, on peut avoir un effet toxique sur les cellules (endotoxine, attention
au traitement antibiotique tardif pouvant libérer cette toxine en grande quantité en tuant beaucoup de bactéries et causer des dommages).
2. Une structure polysaccharidique centrale qui est plus ou moins variable.
3. La chaine externe, appelée chaine latérale O (peptide O, antigène O) va être variable en fonction
des bactéries GRAM- et peut déclencher la réponse des cellules immunitaires libérant des médiateurs de l’inflammation (cytokines).
Lors de décharges importantes d’un foyer lésionnel dans le sang, beaucoup de GRAM- arrivent
d’un coup, activant fortement le système immunitaire et libérant ainsi des cellules pro-inflammatoires. Des phénomènes de vasodilatation disséminées vont avoir lieu, conduisant au choc septique.
Elle peut participer (en se détachant de la bactérie) à la formation des biofilms.
Les LPS protègent les bactéries des sels biliaires, antibiotiques, substances toxiques et permettent
de filtrer les grosses molécules (tamis moléculaire ; les molécules >600-700nm de passent pas).
Biofilms : Débris issus des bactéries au sein desquelles elles vont pouvoir se développer formant un
maillage filtrant les échanges entre les bactéries en communauté et le milieu extérieur (passage des
cellules du système immunitaire, des antibiotiques…) ➔ problème en clinique (Exemple : prothèse
de hanche qu’il va falloir changer si présence de biofilms car les antibiotiques ne sont plus efficaces).
2. Les structures facultatives
Jusqu’à maintenant, nous avons vu les structures communes à l'ensemble des bactéries. Nous allons
nous intéresser ici aux structures facultatives, ce qui ne veut pas dire pour autant qu'elles ne sont pas
importantes. On peut retrouver ces composants chez certains types de bactéries ou uniquement à
certains stades de développement de la bactérie.
Ce sont différentes structures qui vont conférer un pouvoir pathogène aux bactéries :
A) La capsule, couche mucoïde, couche S (différences mineures entre ces 3 appellations).
Ce sont des couches supplémentaires à l’extérieur de la paroi (peptidoglycanes +/- membrane externe) cellulaire.
- Capsule : Bien organisée et homogène
- Couche mucoïde : Diffuse se retrouve dans le milieu extérieur et constitue une sorte de mucus
qui va conditionner le support sur lequel les bactéries vont se developer.
- Couche S : Régulièrement structurée en forme de pavement régulier de protéines et glycoprotéines.
Rôles :
-
Résistance à la phagocytose (exemple : Staphylococcus Pneumoniae) = facteur de virulence
Les bactéries survivent à l’intérieur des corps d’endocytose et des phagosomes (macrophage,
PNN)
Repousse les substances hydrophobes toxiques (exemple : détergents comme la Javel) = Filtration des échanges avec l’extérieur augmente car il y a plus de couches
Protection contre la dessiccation (Riche en eau)
Attachement aux surfaces solides
Facilite la mobilité bactérienne par formation d’un mucus qui avec le LPS facilite la formation
du biofilm.
Les constituants de la capsule sont recherchés comme marqueurs diagnostiques de l’infection.
B) Pili et Fimbriae
Globalement en MO, avec un bon grossissement et une bonne coloration, on va observer des poils =
courts appendices constitués de piline (taille < flagelle)
Il existe des poils particuliers qu’on appelle le ou les pili sexuels qui vont participer à la sexualité
bactérienne. C’est-à-dire la capacité d’échanger du matériel génétique par un mécanisme de conjugaison qui est un mode de transfert horizontal de gêne, les bactéries n’étant pas des organismes
sexués.
Il existe aussi des poils particuliers qu’on appelle des fimbriaes, qui jouent un rôle dans l’adhésion
des bactéries (notamment pathogènes) à leur hôte.
Fimbriaes et pili sexuels sont composés de piline. Cette composition et notamment sa signature
antigénique est variable d’une bactérie à l’autre et conditionne l’adhésion des bactéries (notamment ces fimbriaes ; leur composition fait que ces bactéries vont avoir une affinité pour certains
tissus (pulmonaire, rénaux…).
Toutes les bactéries vont avoir une affinité pour des tissus distincts en fonction des fimbriaes
qu’ils portent. Cela peut être un critère pour distinguer différents types bactériens.
La différence de diamètre en pili et fimbriae n’est pas si importante car le matériel génétique ne
passe pas à travers le pili sexuel. En fait, c’est simplement un appendice qui attache les 2 cellules
bactériennes et qui les rapprochent. Puis d’autres mécanismes vont permettre de faire l’échange.
Néanmoins, il est indispensable pour assurer la conjugaison. Les échanges par pili peuvent concerner plusieurs bactéries (jusqu’à 10 !).
Rq : La différence entre pili et Fimbriae réside
surtout
dans leur fonction.
C) Les flagelles et la chimiotaxie
Flagelles : Appendices locomoteurs, souvent de grande taille (diamètre : 20nm /15-20µm longueur)
qui s’étendent à l’extérieur de la membrane cytoplasmique, visibles par coloration. Chez les
GRAM-, les flagelles peuvent se retrouver dans l’espace péri plasmique.
Le filament est extrêmement long (bactérie fait 1µm), rigide et est constitué de flagelline. Il est raccroché à la structure motrice grâce à un crochet (segment intermédiaire) qui est courbe.
ANNEAUX/PLATEAUX
GRAM-
GRAM+
NOMBRE
4
2
EXTERNE
2 : 1 lié à la membrane externe Absent
(L)
1 lié au peptidoglycanes (P)
INTERNE
2 dont 1 lié à la membrane
plasmique (S et M)
2 : 1 lié à la membrane externe
1 lié au peptidoglycane
Il existe des bactéries sans flagelles et en fonction des bactéries, on peut les retrouver à différentes
positions.
NB : Spirochètes = présence de flagelles péri-plasmiques (dans l’espace inter membranaire,
GRAM-) formant un filament axial ➔ tortillement
Flagelles et chimiotaxie : Fonctionnement des flagelles
Mouvement de rotation permanent : Au niveau du corps basal, induit par un gradient de Na+
ou de H+ (pas d’ATP). 270 tr/s chez E. Coli / 1100 tr/s chez Vibrio Olginolyticus ➔ 20-90 µm/s.
La vitesse de déplacement est grande rapportée à la dimension de la bactérie (à l’échelle humaine
ça fait quand même du 400-500km/h alors on va tout de suite descendre de ses grand chevaux svp).
Sens horaire ou antihoraire : Détermine le sens de rotation et d’avancement de la bactérie
(avance/recule).
Spirochètes : filament axial ➔ tortillement et déplacement tant bien que mal.
Chimiotaxie : Orientation du déplacement contrôlée par des chimiorécepteurs localisés dans la
membrane plasmique ou dans le périplasme s’effectuant par succession de courses/culbutes en
fonction de l’environnement.
- Substance attractives = Eléments nutritifs (sucres, acides aminés…)
- Substances répulsives = Substances nuisibles, déchets bactériens…
- Signaux environnementaux (T°, O2, P° osmotique, lumière…)
Le déplacement des bactéries s’effectue par des alternances de courses (longues) et de culbutes
(courtes) en fonction du gradient de substances attractives/répulsives (= chimiotactisme)
- Course : Flagelles en faisceau ➔ déplacement en ligne droite ou courbe durant quelques secondes (Les flagelles tournent toutes dans le même sens)
- Culbute : Dispersion des flagelles ➔ arrêt + culbute ➔ réorientation aléatoire de la bactérie. (Arrêt simultané de tous les flagelles)
- Gradient de substrat nulle ➔ déplacement au hasard (fréquence course/culbute aléatoire)
- Gradient de substance attractive ➔ course + longue / culbute - fréquente ➔ déplacement vers les
côtés les plus élevés
- Gradient de substance répulsives ➔ culbutes plus fréquentes, mais fréquence de culbute diminue
lorsque la bactérie s’éloigne du répulsif
Les bactéries peuvent alors se rapprocher ou s’éloigner d’une région particulière.
D)
Les spores (ou endospores)
Endospore = spore = structure de multiplication végétative et déshydratée extrêmement résistante
qui se développe dans les cellules de quelques genres bactériens (surtout GRAM+, exemple : Bacillus, Clostridium).
C’est une structure de survie. Les bactéries capables de sporulation ne vont le faire qu’à un stade
particulier de leur croissance, dans des conditions bien particulières.
Résistance à : Chaleur (120°), UV, Rayon γ, Désinfectant chimique, Dessiccation, Temps (100 000
ans).
- Elimination très difficile : Problématique si spores dans un bloc opératoire/service (désinfection
le temps qu’il faut, composés très agressifs comme le nitrate d’argent ou l’eau oxygénée donc
service fermé)
- Si contamination de petits matériel, c’est plus simple : Pression, autoclavage
Rq : On a été capable de remettre en bourgeonnement des spores estimées à plus de 100000 ans.
Toutes les bactéries ne peuvent pas faire de la sporulation (seulement certaines espèces bactériennes
comme bacillus, clostridium).
Pourquoi les spores sont-elles aussi résistantes ?
A l’extérieur on a une enveloppe extrêmement mince
(l’exosporium) suivie en dessous d’une tunique +/épaisse, constituée essentiellement de protéines. Puis on
retrouve surtout un épais cortex (50% du poids de la
spore) principalement constitué de peptidoglycanes, raison pour laquelle on va surtout retrouver la sporulation
chez les GRAM+.
Sous le cortex, on a la membrane plasmique et à l’intérieur, les constituants bactériens (nucléoïde, ribosomes…) complètement déshydratés et enrichis
d’ions calciques, de protéines particulières associées à l’ADN (protéines sasp). Associé notamment
aux ribosomes, on retrouvera l’acide dipiconilic
Tout cela permet de rendre la structure extrêmement résistante.
Développement de la sporulation (7 phases)
Milieu nutritif pauvre/densité bactérienne trop importante (107-108 bac/ml) = division cellulaire
pour produire les spores. (Seul un millième des bactéries vont faire de la sporulation).
Le début de la sporulation se passe comme si elle voulait rentrer en division : Réplication du génome bactérien (les 2 génomes sont alors enchâssés aux pôles de la membrane cytoplasmique).
Au lieu que le septum se mette en place pour séparer les 2 bactéries, on va avoir une réorganisation
avec la formation d’un filament axial de matériel nucléaire de façon à assurer une division cellulaire
inéquitable.
On va avoir à ce moment-là une invagination membranaire qui va isoler une partie de l’ADN venant former une préspore (ce qui va devenir la préspore occupe le moins d’espace ➔ cytoplasme
beaucoup moins complexe).
L’autre cellule se sacrifie. Son matériel génétique se dégradera et sa membrane viendra entourer
celle de la préspore.
Tout une machinerie va ensuite se mettre en place pour permettre le développement du cortex.
Entre la membrane cytoplasmique de la préspore et celle de l’autre cellule, on va avoir une accumulation de calcium, d’acide dipiconilic (protection de l’ADN bactérien) et tout cela va venir former la
tunique et l’exosporium. A ce moment-là, la bicouche lipidique venant de l’autre cellule va tout
simplement être éliminée.
Tout cela va se déshydrater et on a une structure de multiplication végétative, une structure de
conservation qui se met en place. C’est un mécanisme relativement long (10h pour Bacillus Megaterium) alors qu’une division chez E. Coli prendra 20 minutes voire 1 heure.
Cette structure végétative peut revenir à la vie par un processus en 3 phases qui nécessite notamment de réactiver cette endospore et qui se produit lorsqu’elle va se retrouver dans un milieu notamment réhydraté, permettant de la réactiver, de détruire la tunique, l’exosporium…
On rentre ensuite dans une phase de germination (l’activité enzymatique, métabolique de la cellule
se remet en place) et on parle d’émergence à partir du moment où cette spore recommence à synthétiser de nouveaux composés par elle-même.
1. Formation d’un filament axial de matériel nucléaire
2. Invagination de la membrane ➔ Isolement d’une partie de l’ADN (= septum de la préspore)
3. Préspore s’entoure d’une seconde enveloppe
4. Formation du cortex (accumulation de calcium et d’acide dipiconilic entre les 2 membranes)
5. Formation de la tunique
6. Endospore à maturité
7. Destruction du sporange (cellule mère) par des enzymes lytiques = libération de la spore
(Retour à l’état végétatif en 3 phases (activation, germination, émergence)).
E) Les plasmides (intervenant dans mécanisme de multi-résistance)
Plasmides : petites molécules d’ADN double brins circulaires (quelque cas de plasmides linéaires
très rares) facultatifs indépendants du chromosome bactérien (non enchâssés dans la membrane).
Cette structure facultative peut poser problème en clinique. Il est considéré comme extra-chromosomique. Les bactéries n’ont pas besoin de plasmides pour assurer leur fonction, néanmoins, les
plasmides vont pouvoir conférer de nouvelles propriétés aux bactéries dans lesquelles elles vont se
retrouver.
Caractéristiques :
- Réplication autonome en mode Thêta (comme le chromosome bactérien) ou Rolling Circle (système du tapis roulant).
Une coupure va être faite au niveau de l’un des monobrins de l’ADN double brin du plasmide et
une AND polymérase va venir re-synthétisé le brin parental. Une sorte de filament va donc se
mettre en place à partir de l’ORI. Le plasmide va être répliqué de façon continue, formant une
grosse pelote d’ADN.
- Nombre de copies variable :
- Unique (1 par cellule)
- Multiple le + souvent (nombre de copies faible < 20/élevé jusqu’à plusieurs centaines)
- Généralement, il n’y a pas de système de partition = lorsque la bactérie possédant des plasmides
va se diviser, ces derniers vont se répartir de façon totalement aléatoire. Exemple : S’il y a peu de
plasmides dans une bactérie, une des bactéries filles peut ne pas avoir de plasmide.
Les plasmides sont transférables horizontalement par conjugaison ou transformation bactérienne =
responsables des transferts de résistances car porteurs d’information génétique (antibiotiques, insecticide…) .
Particularités des plasmides : Certains de ces plasmides sont porteurs de gènes, et notamment de
gènes de résistance (antibiotiques, insecticides…). On va essayer de classer ces plasmides en fonction des propriétés qu’ils confèrent.
Classification des plasmides : Conjugatifs / De résistance / Bactériocines / De virulence / Métabolique
C’est un point important à retenir car lorsqu’on veut faire de la transformation bactérienne
par conjugaison, il est important de reconnaître les particularités de chacun de ces mécanismes.
a) Les plasmides conjugatifs
Ils posent beaucoup de problèmes car ils peuvent conférer certaines résistances. Ils renferment les
gènes codant notamment pour les pili sexuels (assurent le transfert de leur copies vers d’autres
cellules pendant la conjugaison). En effet, la formation de ces pili est gouvernée par la présence
d'un plasmide dans le cytoplasme ou dans le génome cellulaire lorsqu'il a été intégré.
Les gènes portés par les plasmides conjugatifs, via la production de protéines qui vont coder pour
les pili sexuels, vont permettre d'assurer le transfert de copies de ces plasmides conjugatifs vers
d'autres cellules durant le mécanisme de conjugaison.
Une particularité du fonctionnement : Les plasmides conjugatifs vont porter des gènes dits facteurs
de fertilité, d’où l'appellation plasmide F ou facteur F. Ils vont coder pour toute la machinerie
nécessaire à la formation des pili sexuels et ont un mode de fonctionnement particulier, qui permet
le transfert du facteur F d'une bactérie fertile vers une autre qui ne l’est pas, avec un sens de
fonctionnement unique (c’est-à-dire que le pili sexuel ne va s'établir qu'entre une bactérie F+ possédant déjà un plasmide fertile et une bactérie F- n'en possédant pas). Si deux bactéries possèdent le
facteur de fertilité, il n'y aura pas de conjugaison bactérienne.
Une propriété supplémentaire dans le cas de plasmide dits intégratifs, ce plasmide va posséder des
séquences d'insertion pour qu'il puisse s'intégrer au chromosome/génome de la bactérie hôte,
mais ce n'est pas systématique.
Si le plasmide ne s’intègre pas dans le génome, il peut à nouveau faire de la conjugaison avec une
autre bactérie, mais dans le cas particulier ou il intègre le chromosome de la bactérie hôte, s’il établit une connexion avec une autre cellule, il va pouvoir transférer une partie du plasmide mais aussi
le chromosome bactérien. Tout cela va contribuer à brasser du matériel génétique et permettre de
faire évoluer les génomes bactériens.
Exemple : Plasmide du facteur de fertilité (Plasmide F ou facteur F)
- Permet la formation des pili sexuels
- Permet le transfert di facteur F d’une bactérie F+ vers une bactérie F- Renferme des séquences d’insertion dans le chromosome de la bactérie hôte
b) Les plasmides de résistance (plasmide R ou facteur R)
Ils ressemblent beaucoup au plasmide F. La particularité est qu’ils confèrent une résistance (antibiotiques, pesticides…) car au sein de ce plasmide on va retrouver un ou plusieurs gènes (1 à 8
gènes R) qui codent pour des enzymes capables de détruire/modifier/inactiver des antibiotiques,
pesticides…
Particularités : La différences majeure entre les plasmides R et les plasmide F c’est qu’ils ne sont
pas intégratifs. Ils portent toutes les informations nécessaires à la conjugaison bactérienne
(établissement du pili sexuel, transfert de matériel plasmidique d’une bactérie à l’autre), par contre
le matériel qui est transféré ne s’intègre jamais au chromosome de la cellule receveuse.
Néanmoins ces plasmides R posent vraiment un problème en santé publique à l’origine des mécanismes de multi-résistances. Une bactérie portant un plasmide R à un antibiotique pourra le transmettre à des bactéries qui ne l’ont pas, sachant que ce transfert peut s’effectuer entre bactéries d’espèce, de famille et de genre totalement différents (le plus souvent sont conjugatifs).
Bien évidemment, il n’y a pas de position, c’est-à-dire que si une bactérie possède dans son cytoplasme plusieurs plasmides différents avec des gènes de résistances à différents antibiotiques, elle
peut les transférer simultanément.
Les bactéries peuvent accumuler des résistances au fur et à mesure et c’est dans ce cas-là qu’on arrive avec des BMR et une difficulté à traiter les patients car ils ont des bactéries qui ont accumulés
tout un ensemble de plasmide de résistance.
c) Les bactériocines
Un peu plus intéressant pour nous car ces plasmides codent des protéines qui sont capables
d’agresser d’autres bactéries (les bactéries en communauté sont en compétition les unes avec les
autres). Les bactéries qui vont posséder ce type de plasmide vont pouvoir par exemple :
- Former des pores dans la membrane cytoplasmique des autres bactéries
- S’attaquer à leur acide nucléique (ADN, ARN)
- Hydrolyser le peptidoglycane de la paroi (il ne lui reste plus que la membrane cytoplasmique et
la bactérie est extrêmement sensible à la pression osmotique (elle implose ou elle explose, de
toute façon elle meurt)).
Particularité : Ces bactériocines agissent sur des souches bactériennes qui sont étroitement apparentées. Leur spectre d’action est quand même relativement limité, mais généralement elles sont dirigées contre des bactéries qui évoluent dans les mêmes milieux et les mêmes environnements (notion de compétition).
Exemple : Le plasmide Col qu’on retrouve chez E. Coli et qui va agir sur les entérobactéries.
Naturellement, les bactéries utilisent cette stratégie de défense contre les autres bactéries et notamment, c’est ce qui permet d’éviter l’implantation des bactéries pathogènes au niveau de nos
tissus.
d) Les plasmides de virulence
Ils vont produire un facteur conférant une pathogénicité.
Exemple : E. Coli + plasmide de virulence entéro-toxinogène ➔ diarrhée.
e) Les plasmides métaboliques
Il confère à la bactérie des capacités supplémentaires (options qu’elles n’avaient pas au départ) qui
vont leur permettre par exemple de dégrader différents métabolites :
- Information génétique permettant la dégradation de composés aromatiques
- Assimilation du lactose
- Fixation de l’azote
- …
Cela peut conférer un avantage sélectif aux bactéries.
III. Taxonomie
Définition d’une espèce : Ernst Mayr (1942) : « Les espèces sont des groupes de populations naturelles, effectivement ou potentiellement interfécondes, qui sont génétiquement isolées d’autres
groupes similaires ».
Puisqu’on à faire a des espèces bactériennes qui ne sont pas sexuées, comment on fait pour savoir
si une bactérie appartient à une famille, un genre ou un espèce bien particulière ? Ça a été longtemps très problématique.
Différentes classifications :
- Taxonomie phénotypique (Cohn 1872 ➔ années 1960)
Selon un nombre réduit de caractères morphologiques, biochimiques, +/- sporulation… Coques ?
Bacilles ? Colonies blanches ? vertes ?
- Taxonomie numérique : Plus de 100 caractères différents
- Taxonomie moléculaire :
- Hybridations ADN/ADN
- Séquences ADNr : 5S, 16S et 23S
Aujourd’hui, on a un peu abandonné la taxonomie phénotypique et numérique et on est passé à une
taxonomie moléculaire. On s’attache à savoir quel est le niveau d’homologie en terme de séquence
entre le matériel génétique de chaque bactérie. On passe notamment par des techniques d’hybridation ADN/ADN. On a trouvé notamment une séquence intéressante pour faire les comparaisons en
utilisant l’ADNr 16s (énormément utilisée pour faire cette classification).
Qu’est-ce qu’une espèce bactérienne ?
1. Taxonomie moléculaire.
Qu’est-ce qu’une espèce bactérienne ?
• Hybridation ADN/ADN : 2 espèces sont différentes si < 70% d’hybridation entre 2 souches (hétéroduplex)
• Séquences ADNr : 5S, 16S et 23S) : 2 espèces sont différentes si ADNr 16S entre 2 souche < 99%
d’identité (ou 99.5%...) = plus précis
Ça s’est démocratisé car les méthodes de séquençage sont devenues peu couteuse et on peut le faire
rapidement.
Les 5 groupes entourés sont les principaux groupes concernant l’Homme avec une importance notamment en pathologie humaine.
2. Classification bactériologique médicale.
Dans tous les laboratoires, pour faire de l’identification bactérienne, on ne dispose pas de séquenceur et ni d’outils classique pour faire de l’hybridation. En bactériologie médicale on reste sur des
critères relativement simples.
Physiologie : On cultive des bactéries en milieu liquide dans des tubes et on regarde à quel niveau
elles poussent (au contact avec l’air, au fond du tube…).
Coloration de GRAM : ça prend 5 minutes.
De plus en plus, de nouveaux outils apparaissent. Aujourd’hui, on utilise beaucoup les techniques
de l’HPLC, de la CPG couplé à la RMN pour pouvoir faire de l’identification. Ce sont des techniques sont en train de sus-planter depuis 2/3 ans les techniques habituelles. Avant on avait énormément de personnels (coloration, frottis…), maintenant les échantillons sont placés dans un tube et
on les passe dans un appareil et le résultat sort dans les minutes qui suivent.
L’identification bactérienne est en pleine évolution et les technologies évoluent très vite (voir cours
de Jaffar-Bandjee).
En terme de formation, cela nous pose des problèmes car ce type d’appareil coute chère et il est difficile de nous faire faire de la pratique. En TP ça reste intéressant d’étudier et de visualiser les bactéries suivant les anciennes méthodes.
Aujourd’hui, on regarde des lames que dans des cas exceptionnels.
Téléchargement