L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 BACTERIOLOGIE Introduction I- Histoire Première observation des bactéries, fin 17ème siècle L’âge d’or de la microbiologie (fin 19ème – début 20ème siècle) La microbiologie aux 20ème et 21ème siècles Microbiologie : micro-organisme (cellules observées aux MO) bactéries ++ 5) Développement de la biologie moléculaire 1) 2) 3) 4) II- Les Micro-Organismes dans le monde vivant 1) 2) 3) 4) Définition des bactéries Classification d’A. Haeckel Classification de Whittaker Woese : classification actuelle III- Systématique bactérienne 1) Nomenclature 2) Taxonomie bactérienne a. Critères de taxonomie b. définition IV- Application des bactéries et réglementation Page 1 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Introduction Le plus important à la fin est de ne surtout pas confondre une bactérie et un virus! Il y a surtout 5 bactéries pathogènes : celles responsables des infections urinaires, des angines, des sinusites, des otites et de l’acné. La maladie infectieuse bactérienne la plus répandue au monde est la carie dentaire, le brossage de dent est donc un traitement contre les bactéries. L'hygiène est quelque chose de récurent dans la lutte contre les bactéries. Aucune bactérie ne touche 100 % de la population, même dans les grandes épidémies. Ce qui fait la pathogénicité c'est autant l'agent (la bactérie), que l'hôte. C'est en fait une conjonction de plein de choses. Si elles existent, les bactéries pathogènes sont marginales. Exemples : E.coli, seulement quelques sous-espèces vont être pathogènes. Staphylococcus aureus, si on faisait un sondage, environ 30 % d'entre nous en posséderions dans notre cloison nasale, sans être malade pour autant. Mycobacterium tuberculosis ou BK, pathogène dans certains cas. 3 outils pour lutter : l'hygiène, les antibiotiques et les vaccins. I- Histoire : 1) Premières observations des bactéries, fin 17ème siècle A. Van Leeuwenhoeck : il est à l'origine du 1er microscope. Il va voir des choses invisibles, les « animalcules » (ce sont en fait des bactéries, mais il ne l’interprète pas comme ça). 2) L'âge d'or de la microbiologie (fin 19ème - début 20ème siècle) L. Pasteur : père de la microbiologie Mise en évidence de la fermentation bactérienne. Il découvre comment on fait du vinaigre (il s'agit d'une bactérie qui transforme l'alcool en acétate). Mise au point de la technique de pasteurisation, moyen de se débarrasser des microorganismes. Travaux sur le bacille du charbon, le virus de la rage (virus qu'il ne verra jamais puisqu'il faut attendre la microscopie électronique. A cette époque on ne sait pas encore ce qu'est un virus), le ver à soie... Réfute la théorie de la génération spontanée, notamment grâce à l'expérience du ballon col de cygne, expérience majeure de Pasteur qui montre que l'air est contaminé. Il s'agit d'un ballon de culture, avec un col de cygne. L'expérience consiste à le faire bouillir, ainsi le milieu est tout à fait clair. Si on ouvre le ballon, puis le referme, celui-ci se trouble, car le milieu est contaminé par les micro-organismes de l'air. Mais si on ouvre à l'extrémité du col de cygne, le ballon ne se contamine pas. Ce qui montre bien que les bactéries sont Page 2 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 dans l'air (car elles ne vont pas parcourir tout le col pour atteindre le ballon), ce n'est donc pas spontané. De plus il les quantifie : l'air à 3000m est beaucoup plus stérile que l'air en bas, car le ballon se trouble moins. => Pourquoi ne s'est-il rien passé entre ces deux périodes (entre Pasteur et Koch) ? Principalement à cause de la religion. À cette époque on a du mal à appréhender ce qu'on ne voit pas, on pense qu'il y a une génération spontanée. Il a fallu une révolution intellectuelle pour réfuter cette théorie. R.Koch Postulat : à partir d'études sur le charbon, « un organisme spécifique cause la maladie spécifique ». Définit le terme de bactérie pathogène. Technique de culture des bactéries sur milieu solide en boîte de « Petri ». Travaux sur le bacille de Koch (BK) qui est le bacille de la Tuberculose. Mycobaterium tuberculosis : bactérie qui infecte. Le vaccin est une autre sorte de mycobactérie. BCG (Bacille de Calmette et de Guérin) Il est le pionnier de la microbiologie médicale. Il obtiendra un prix Nobel (contrairement à Pasteur). 3) La microbiologie au 20ème et 21ème siècle On va commencer à voir vraiment les bactéries. Les micro-organismes sont étudiés en microscopie électronique, par la biologie moléculaire dont le développement révolutionne la microbiologie. Un événement particulier marque le début de cette période : la découverte de la pénicilline, premier antibiotique trouvé par Fleming, qui sera utilisé par Ashley et Chain pendant la 2nde Guerre Mondiale. Dans les années 50, découverte de l'ADN en tant que molécule à double-hélice. Dans les années 60-70, arrivée de la biologie moléculaire, qui étudie principalement la molécule d'ADN. Les premiers à travailler sur la régulation des gènes sont Jacob et Monod avec l'opéron lactose. Page 3 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Puis fin du 20ème début du 21ème il y a une révolution : la génomique, séquençage du génome (génome humain en 2003 et E.coli dans les années 90). Au 21ème siècle, on est dans la post-génomique. (La séquence totale d'un micro-organisme coûte à peu près 500€). Maintenant que fait-on de ces données génétiques ? 4) Microbiologie : micro-organisme (Cellule observées en MO) bactéries+++ Diversité : bactéries, certains champignons microscopiques, virus. Rôle (planète, société humaine, plantes...). Micro-organismes influent sur toutes les formes de vie → microbiologie importante. Science biologique fondamentale : Outils pour la compréhension des processus de la vie. Bons modèles de compréhension des fonctionnements cellulaires (biochimie, génétique). Sciences appliquées : Médecine, industrie alimentaire, biotechnologie (ATB, protéines humaines). Comment conserver les aliments ? Pour la viande : charcuterie, par la salaison, ce qui protège des agents pathogènes. Le lait : Yaourt ou Fromage, qui sont au départ des moyens de conservation. → On utilise des bonnes bactéries pour protéger des mauvaises. 5) Développement de la biologie moléculaire Un grand nombre de génomes bactériens séquencés depuis 1995, 2009 > 500 (NCBI genbank). Séquençage : intérêt +++, par exemple : - Comparer des souches entre elles = taxonomie, Améliorer les techniques de diagnostic (sensible++, rapide++), on connaît la séquence d'une bactérie, on peut donc la détecter par hybridation, par des sondes PCR. Études de gènes pour différencier les bactéries pathogènes et non pathogènes en comparant leur séquence (ex : « facteurs de pathogénicité »). Synthétiser des protéines antigéniques pour un vaccin, puisqu'on connaît ce que la molécule est susceptible de posséder. Les bactéries et génie génétique +++ - - Outils de recherche relativement simple. Par exemple, on fait fabriquer des hormones de croissance ou de l'insuline humaine, ou de la vanilline dans le domaine alimentaire, par des micro-organismes (MGM : micro-organismes génétiquement modifiés). Génétique bactérienne + biologie moléculaire => bactéries vecteurs de gènes OGM. Thérapie génique. Page 4 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 II- Les Micro-organismes dans le monde vivant 1) Définition des bactéries: Les bactéries sont : -des micro-organismes unicellulaires, au sens physiologique du terme. -des procaryotes, caractérisées par l’absence d’un « vrai » noyau (pro=avant ; karyon=noyau). Elles contiennent quand même de l’ADN : présence d’un chromosome mais absence de membrane nucléaire). -capables de se multiplier dans l’environnement qui leur est propice (différence des virus). -ont un métabolisme propre. Taille Noyau -membrane nucléaire -ADN (nombre de chromosomes) Cytoplasme -mitochondries -réticulum endoplasmique -appareil de Golgi -ribosomes Membrane plasmique Site de la respiration (chaîne respiratoire) Flagelles Paroi rigide Reproduction Différenciation PROCARYOTE EUCARYOTE En général >1 et <10µm >10 µm NON 1 (+exceptions) OUI Plusieurs Organisation simple Non Non Non Libérés dans le cytoplasme Pas de cytosquelette Oui sans stérols (Sauf mycoplasme) Membrane plasmique Organisation plus complexe Oui Oui Oui Liés à la membrane Un cytosquelette Oui avec stérols Mitochondries (Pour bactéries aérobies) Chez certaines espèces Structure simple OUI avec peptidoglycane (sauf mycoplasmes sans paroi) Quelquefois protéines Par scissiparité Rudimentaire Chez certaines espèces Structure complexe NON pour les cellules animales OUI pour les peptidoglycanes (chez végétaux, algues, mycètes (cellulose, pectine ou chitine) Par mitose Tissus et organes Il n’y a qu’une seule membrane chez les bactéries, qui est celle de l’extérieur. Chez un procaryote, il n’y a pas de noyau mais il n’y a pas non plus tous les autres organites qui contiennent une membrane (mitochondries, réticulum endoplasmique…). Page 5 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Cellule animale Bactérie Virus 10 à 20 µm 1 à 3 µm 20 à 300 nm En termes de taille, on peut assimiler la cellule animale à un ballon de basket, la bactérie à la moitié d’une balle de ping-pong et le virus à une tête d’épingle. Les tailles sont très importantes pour expliquer l’évolution. Si on prend une cellule eucaryote de 15 µm de diamètre et une bactérie de 2 µm de diamètre : le rapport n’est pas très important. Par contre en termes volume, c’est différent : Volume d’une sphère : 4/3 π r3 (4/3 π 7,53) / (4/3 π 13) => rapport beaucoup plus important. Combien de bactéries peuvent être contenues dans une cellule eucaryote ? Si on se met sur 1 seul plan : pas beaucoup ; par contre si on se met sur 1 volume, on en aura beaucoup plus. L’agent de la tuberculose est intracellulaire obligatoire : il rentre dans la cellule et se multiplie dans celle-ci. Il y aussi des bactéries qui sont symbiotiques. Les bactéries sont en fait à l’origine des éléments pour le développement des cellules eucaryotes. Dans les cellules eucaryotes, ce sont les mitochondries qui produisent de l’énergie. En fait, les mitochondries sont des anciennes bactéries (elles ont toutes les caractéristiques d’une bactérie et surtout elles ont de l’ADN). L’énergie se forme de part et d’autre de la membrane mitochondriale = principe de génération de l’énergie chez les bactéries (Attention, pas de mitochondries chez les bactéries mais le principe de génération de l’énergie est le même : de part et d’autre de sa membrane). Les mitochondries sont des anciennes bactéries qui ont infecté des cellules primaires et qui ont permis de fournir de l’énergie à une cellule. NB : On trouve quand même des ribosomes chez les procaryotes car ils seront nécessaires pour la traduction des ARNm. Chez les procaryotes, tout se trouve mélangé dans le cytoplasme. Et quand on a tout à disposition, on va plus vite : -Un gène qui donne un messager chez les eucaryotes, doit traverser la membrane nucléaire, subir l’épissage, passer dans le cytoplasme où il sera traduit, etc. -Alors que chez les procaryotes, le gène donne un messager, mais ce messager n’est pas encore fini que les ribosomes sont déjà arrivés pour la traduction. Page 6 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 2) Classification d’A. Haeckel (1886) : 3 Règnes : Règne animal Règne végétal - Règne des protistes: Unicellulaires Pluricellulaires sans différenciation tissulaire : -Champignons -Algues -Protozoaires -Bactéries Protistes supérieurs cellule eucaryote Protistes inférieurs Une cellule procaryote : -algues bleues -bactéries : Eubactéries, Archaebactéries. 3) Classification de Whittaker (1978) : Règne Procaryote Principaux groupes Monera Bactéries Cyanobactéries Protistes eucaryotes Protista Algues Protozoaires Type cellulaire Organisation biologique Procaryote Unicellulaire Eucaryote Unicellulaire Taille Microscopique Mycètes Animaux Plantes Fungi Levures Moisissures Champignons Eucaryote Unicellulaire Animalia Plantae Eucaryote Pluricellulaire Eucaryote Pluricellulaire Algues unicellulaires et protozoaires, mycètes simples moisissures et aquatiques Pluricellulaires (algues microscopiques) (coenocytique) Micro- et macroscopique Micro- et macroscopique Macroscopique Macroscopique Dans l’arbre de Woese, les archaebactéries ne sont pas les ancêtres des bactéries. C’est une branche divergente. Il y a même des éléments structuraux des archaebactéries qui sont plus proches des eucaryotes que des procaryotes. La seule chose qui leur donne le nom d’ « archaebactérie », c’est qu’il n’y a pas de membrane nucléaire. Page 7 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Selon Whittaker : 5 règnes Classification selon 3 critères principaux : -type cellulaire -niveau d’organisation -type de nutrition 4) Woese (1990) : classification actuelle Classification basée sur la comparaison des ARN 16S. Ribosome = ARN + protéines. Toutes les cellules vivantes, à partir du moment où elles ont une traduction, auront des ribosomes. ADN ARNm (+ lu par ribosome) protéine => situation minoritaire Transcription traduction En fait, on trouve essentiellement ça : ADN ARN (ribosome, ARNt) La plupart de l’ADN est transcrit en ARN qui ne donnera pas de protéines. Ces sont des ARN structuraux, essentiellement ribosomiques qui vont entrer dans la composition des ribosomes (=ARNtransfert). Ce sont bien des gènes qui sont transcrits en ARN, mais qui ne donneront jamais de protéines, ils ne seront jamais traduits. Ces ARN structuraux représentent au moins 80% des ARN que l’on retrouve dans une cellule. Majoritairement, les ARN produits ne sont pas traduits. Chez les procaryotes, on trouve 3 ARN majeurs qui sont produits et qui rentrent dans la composition du ribosome : 5S - 16S - 23S (= la majorité des ARN que l’on retrouve dans une cellule). Il peut y avoir des modifications dans la séquence de ces ARN, malgré tout, il ne faut pas que ces modifications altèrent la fonctionnalité, sinon la cellule est incapable de survivre. Ceci veut dire que les séquences des gènes qui codent pour ces ARN ribosomiques sont relativement stables ; elles vont supporter quelques modifications dans l’évolution mais pas énormément). Ces ARN 5S, 16S et 23S nous servent donc de marqueurs d’évolution pour une espèce. Ce sont des gènes qui codent des ARN avec peu de variations. On prend des séquences robustes dans l’évolution. En pratique, on séquence les gènes qui codent pour ces ARN et on compare les séquences. Ce sont donc des ARN constitutifs. Page 8 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Selon Woese : 3 domaines : -Bacteria (les bactéries stricto sensu). -Archae (anciennement Archaebacteries). -Eucarya (protozoaires, champignons, moisissures microscopiques). LUCA : Last Universal Common Ancestor Classification actuelle. III- Systématique bactérienne 1) Nomenclature Selon le Code international de nomenclature Genre + espèce Escherichia coli Legionella pneumophila Staphylococcus aureus Abréviation E. coli L. pneumophila S. aureus Les noms latins des bactéries doivent être écrits en italique. Le nom de genre porte une majuscule ; celui de l’espèce porte une minuscule. Dans un texte, la 1ère fois, on écrit le nom en entier, les fois suivantes, on écrit l’abréviation. 2) Taxonomie bactérienne On classe les individus en groupes (taxons) selon leur similitude ou leur parenté évolutive. a. Critères de taxonomie: -Morphologie, physiologie, métabolisme, écologie (Id. phénotypique). -Identification génotypique (acides nucléiques ; GC% (taux de AT par rapport aux GC), séquences). Phénotype ≠ Génotype Ce n’est pas parce qu’on a tel gène qu’il s’exprime et ce n’est pas parce qu’on n’a pas tel gène qu’on n’est pas capable de faire telle action) => le lien génotype/phénotype n’est pas si évident que cela. Quand on a une séquence, en génomique, on regarde le % GC. C’est assez constant en statistiques (si une bactérie à un %GC de 3% = une base sur trois, on a un G…). Il y a des bactéries à haut GC% et des bactéries à bas GC%. Par contre, quand on regarde le génome en entier et une séquence en particulier, on peut parfois voir que cette séquence particulière a un GC% très éloigné de la moyenne du génome. Page 9 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Très probablement, on peut dire que ce gène-là est EXOGENE (acquis via d’autres organismes, des transposons…). b. Définitions: -Bactérie : cellule procaryote : -propriétés (morphologiques, physiologiques et métaboliques, écologiques). -Composition moléculaire (protéines (structure, enzymes)), acides nucléiques (séquence, GC%), acides gras, lipides. -Souche : Population de bactéries descendant d’un organisme unique (=1 clone), caractérisée par sa séquence d’ADN, souche type (souche de référence), souche sauvage. En bactériologie, des clones, ce sont des cellules qui sont issues d’une même cellule mère. a 1 2 4 : Génétiquement, toutes les cellules issues d’une même cellule mère sont des clones (=population qui descend d’un organisme unique). Elles ont la même séquence que celle de la cellule mère. Pour la cellule (a), quelle est la cellule mère ? Aucune des deux. La cellule qui lui donné naissance s’est séparée en 2. Une bactérie, tant qu’elle est nourrie, est immortelle. Si on la congèle et qu’on revient 10 ans après, elle revit. L’évolution vers la complexification des organes les uns par rapport aux autres, nous rend plus fragile. Si on était resté au stade spermatozoïde ou ovule, on supporterait la congélation (Individuellement, on peut prendre quelques-unes de nos cellules et les congeler. Elles vont revivre mais en tant qu’organisme entier complexe, on ne supporte pas cette congélation : on ne peut pas revivre après avoir été entièrement congelés quelques années) : effet pervers de l’évolution. Page 10 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 -Espèce bactérienne : Ensemble de souches aux propriétés stables, nombreuses, dont les homologies ADN-ADN se traduisent par des % d’hybridation supérieur ou égal à 70% (Autrement dit, une espèce bactérienne c’est un patrimoine génétique qui est commun à au moins 70%). Un E. Coli doit avoir au moins 70% d’homologie avec une autre bactérie, que l’on pense être un autre E. Coli. Si ce pourcentage est <70%, c’est peut-être une Salmonelle…, mais pas un E. Coli. -Génotype : Ensemble de gènes = patrimoine génétique de la bactérie. Le génotype est « fixe ». -Phénotype : ensemble des caractères exprimés, observables par l’expérimentateur. Le phénotype est « expérimentateur dépendant » ; la vitesse de croissance va dépendre de la température, du milieu. Espèces différentes : caractérisées par des différences phénotypiques et génotypiques. Souches différentes : caractérisées par des variations phénotypiques (petites différences au sein de E. Coli) : « sous-espèces » -Biovars -Morphovars (un E. Coli qui est un peu plus long que les autres) -Pathovars (un E. Coli non pathogène et un E. Coli pathogène) -Sérovars (E. Coli 0-157-H7 : sérotype : anticorps à la paroi qui réagissent avec le 06157-H7 par exemple / Un E. Coli 0-157-H7 est plus pathogène qu’un autre E. Coli) => espèce identique mais souche différente Dénomination Règne Domaine ---A Phylum (ou division) Classe Ordre Famille Genre Espèce ----A -----ALES ----ACEAE --US, --A, --IUM Page 11 sur 13 Exemple PROCARYOTAE MONERA Bacteria Proteobacteria Gammaproteobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia Escherichia Coli L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 IV- Applications des bactéries et règlementation Utilisation des bactéries en industrie alimentaire : -Préparation industrielle du vinaigre : Acetobacter aceti qui forme la mère du vinaigre (bactérie qui produit de l’acide acétique à partir de l’éthanol). -Fabrication des produits laitiers : crème (pasteurisation : chauffer entre 60 et 70°C pour se débarrasser des bactéries), fromage, conditionnement en enceinte stérile (« pièce blanche »), affinage, etc. (à l’origine, yaourts et fromages étaient un moyen de conservation du lait). Réglementation : Yaourt : Le décret n°88-1203 du 30 décembre 1988, relatif aux laits fermentés et au yaourt ou yoghourt réserve la dénomination yaourt ou yoghourt au « lait fermenté obtenu, selon des usages loyaux et constants, par le développement des seules bactéries lactiques Streptococcus salivarius subsp. Thermophilus et Lactobacillus delbrueckii subsp.bulgaricus qui doivent être ensemencées et se trouver vivantes dans le produit fini à raison d'au moins 10 millions de bactéries par gramme rapportées à la partie lactée ». = définition d’un yaourt. Si on a une autre bactérie que celles citées, ou si on a celles citées mais pas en bonne quantité : ça ne s’appelle pas un yaourt. Un bifidus actif n’est pas un yaourt ; c’est un lait fermenté. Une bactérie est dite probiotique lorsqu’elle n’est pas pathogène tous les yaourts sont des probiotiques. On utilise le génie génétique pour produire des protéines : exemple de la production d’arôme de vanille. C’est une protéine produite dans les plants de vanille que l’on a cloné dans E. Coli. De plus, E. Coli est capable de produire de la vanilline mais on arrive aussi à purifier chimiquement la vanilline (et ça coute moins cher de la produire chimiquement que de la produire biologiquement par E. Coli). Sauf que d’un point de vue marketing, si le produit est obtenu chimiquement, on n’a pas le droit de mettre l’inscription « arôme naturel » sur le produit par contre si la protéine est issue de E. Coli, on peut mettre l’inscription « arôme naturel ». Les producteurs préfèrent payer plus cher mais pouvoir inscrire la mention « arôme naturel » (plus commercial). Page 12 sur 13 L2 Pharmacie Bactériologie 07/01/14 – Pr Giard Groupe 37 : Doriane et Pauline N°1 Deux microbes se rencontrent : - Oh ! La ! La ! dit le premier, si tu voyais la sale gueule que tu as… - Je sais dit l'autre, je suis malade. - Qu'est-ce que tu as ? - J'ai attrapé la pénicilline… Comment appelle-t-on un microbe qui se loge dans le crâne d'une blonde ? Un envahisseur de l'espace. Pourquoi certains hommes ont-ils un rhume de cerveau ? Parce que les microbes ne s'attaquent qu'à la partie la plus faible de leur organisme. Page 13 sur 13