Microbio 3.pptx - Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

COURS 2014 LA MICROBIOLOGIE, UN MONDE MYSTÉRIEUX Ils sont pe3ts, mais ils sont nombreux et très étranges -­‐ 3 -­‐ La vie sociales des bactéries Mercredi 4 juin Jean-­‐Pierre Henry Laboratoire Ma3ère et Systèmes Complexes hGp://www.msc.univ-­‐paris-­‐diderot.fr/~henry/ Résumé du cours précédent •  Les bactéries représentent un monde dont on ne connaît pas les limites; très peu d’espèces sont cul3vées et le séquençage permet d’avoir une image virtuelle des métabolismes •  On dis3ngue Eubactéries et Archébactéries, avec des généalogies différentes •  Le développement de l’imagerie montre une structura3on insoupçonnée de la cellule procaryote •  La mo3lité et la sécré3on révèlent des systèmes très différents des eucaryote •  Les bases de la bioénergé3que montrent comment la vie s’est adaptée aux environnements géologiques 1-­‐ Des rapports ordinaires: Sexualité, agression, défense 2-­‐ Symbiose: Un mutualisme obligatoire 3-­‐ Mutualisme: La no3on de microbiome 4-­‐ Le parasi3sme: Le monde des pathogènes 5-­‐ La mul3cellularité Les films bactériens 1-­‐ Des rapports ordinaires: Sexualité, agression, défense Les bactéries ne sont-­‐elles que des cellules uniquement préoccupées de leur survie? « To be or not to be » Sexualité bactérienne ? La conjugaison La bactérie (E coli) de gauche) est F+ •  Les bactéries peuvent établir des contacts de cellule à cellule •  Au cours de ces contacts, du matériel géné3que est échangé •  On dis3ngue des individus F+ (fer3les) et F-­‐; les E coli F+ possèdent un «plasmide» (ADN cyclique hors chromosome), codant pour le « Poil sexuel » et l’appareil de sécré3on (type IV) •  Lors du contact, le plasmide est transféré et le récipiendaire devient F+ •  Dans des cas rares, le plasmide s’intègre dans le chromosome permeGant des échanges de gènes La conjugaison chez E coli La conjugaison existe chez de nombreuses espèces; elle peut se faire entre deux espèces Des bactéries agressives: Bdellovibrio CeGe bactérie nage très vite par rapport à ses proies; elle pourrait être u3lisée comme agent bactéricide AGaques et défenses dans une popula3on mixte (1) •  Nous avons vu que les bactéries peuvent assembler des systèmes d’aGaque ressemblant aux systèmes d’injec3on des phages (système de sécré3on VI) •  Le système chargé est à gauche et déchargé à droite •  Deux espèces possédant ces systèmes ont été mélangées: Pseudomonas aeruginosa et Vibrio cholerae •  Seule la première est mortelle pour sa voisine (Basler et al (2013) Cell,152, 884) AGaques et défenses dans une popula3on mixte (1) •  À droite: 1,2 V cholerae (rouge) aGaque P (vert); 3, 6, P a perçu l’aGaque et assemble son « canon » à l’endroit où l’aGaque est arrivée; 7, P aeruginosa 3re à son tour; son 3r est mortel (8) •  À gauche, assemblages et désassemblages des systèmes de sécré3on AGaques et défenses dans une popula3on mixte (3) •  Les aGaques (Vib, rouges) sont suivies de ripostes (Pse, verts) qui entrainent l’arrondissement, la forma3on de « bulles » ou la dispari3on de vib •  Les points colorés sont les systèmes de sécré3on marqués par des protéines de fluorescence •  La compé33on entre bactéries produit de nombreux systèmes « bactéricides »: colicines, toxines, … qui imposent une « immunité » de l’aGaquant contre ses armes 1-­‐ Des rapports ordinaires: Sexualité, agression, défense 2-­‐ Symbiose: Un mutualisme obligatoire 3-­‐ Mutualisme: La no3on de microbiome 4-­‐ Le parasi3sme: Le monde des pathogènes 5-­‐ La mul3cellularité Les films bactériens La bioluminescence bactérienne (1) •  Vibrio fischeri est une bactérie marine (1 à 100 bact/ml eau de mer); en culture, elle est lumineuse (à droite) •  La réac3on lumineuse est catalysée par une enzyme, la luciférase •  C ’est l’oxyda3on par l’oxygène moléculaire d’une flavine réduite FMNH2, un transporteur d’électrons •  il y a oxyda3on d’un aldéhyde à longue chaine (Wilson et Has8ngs (2013) Bioluminescence, Harvard Press) La bioluminescence bactérienne (2) •  La croissance en milieu liquide montre un phénomène curieux •  La luminescence ne suit pas la croissance: elle apparaît dans la phase exponen3elle •  L’appari3on de la luminescence correspond à la synthèse de la luciférase et à la transcrip3on du gène •  Les bactéries secrètent dans le milieu une molécule (homosérine lactone) et quand sa concentra3on est suffisante, celle-­‐ci agit sur un système qui régule la transcrip3on •  Ce phénomène est fréquent en bactériologie, c’est le quorum sensing (Wilson et Has8ngs) La bioluminescence bactérienne (3) •  Pourquoi une bactérie est-­‐elle lumineuse? Dans l’eau de mer, la concentra3on d’inducteur est faible et la bactérie n’est pas lumineuse •  De nombreux organismes marins sont lumineux et ils colonisent des bactéries dans des organes spécialisés •  Ce poisson (Kryptophanaron) possède de tels organes où les bactéries sont nombreuses et donc lumineuses •  Il s’agit d’une symbiose où les deux partenaires 3rent avantage de la situa3on Un modèle d’étude de la symbiose (1) •  CeGe pe3te seiche (Euprymna scolopes) vit en eaux peu profondes; pendant le jour, elle s’enterre et au crépuscule, elle chasse •  Alors elle est lumineuse par des organes internes émeGant ventralement pour ne pas être vue par des prédateurs venant du fond •  A l’éclosion, le juvénile n’est pas lumineux : transmission horizontale (Nyholm & McFall-­‐Ngai (2004) Nature Rev Micro, 2, 632) Un modèle d’étude de la symbiose (2) •  La colonisa3on des juvéniles comporte des échanges de signaux entre l’hôte et la bactérie •  Cinq bactéries suffisent; l’hôte sécrète un mucus qui les avrent; seules les bactéries lumineuses vont entrer dans la cavité ciliée; leur entrée va modifier les 3ssus de l’hôte (perte des cils) •  Il y a d’autres échanges: influence des horloges circadiennes des deux organismes Symbiose Rhizobium-­‐Légumineuses: Fixa3on de l’azote moléculaire •  Les plantes perdent de l’azote sous forme gazeuse •  L’azote assimilable (NH4+, N03-­‐) est limitant et nécessite des engrais •  Une famille de bactéries, Rhizobium, vivant en symbiose au niveau des racines des plantes légumineuses (luzerne) produit de l’ammoniac •  La synthèse s’effectue au niveau de spécialisa3ons (Nodules) Transmission horizontale et ver3cale •  Chez les bactéries lumineuses ou les Rhizobiales, l’hôte accueille les bactéries indépendamment de son cycle de vie: l’hôte peut être sans bactéries (aposymbio3que) •  Dans d’autres cas, la bactérie infecte les cellules germinales femelles et elle toujours là: transmission verOcale •  C’est le cas chez certains pucerons: ils vivent de la sève, riche en sure mais sans acides aminés. La bactérie Buchnera aphidicola u3lise les sucres pour faire les acides aminés. Elle vit dans des cellules spécialisées (bactériocytes) (Bright & Bulheresi (2010) Nature Rev Micro, 8, 218) Réduc3on du génome des bactéries symbio3ques •  Les bactéries symbio3ques ont un génome de pe3te taille: E coli: 4,6 Mpb, 4x103 protéines; Buchneria 0,6 Mpb, 500 protéines; Candidatus Tremblya princeps: 0,14 Mpb, 140 protéines •  C’est une évolu3on ancienne, qui suit un chemin défini •  Quelle est la limite? Y a t il transfert de gènes vers l’hôte? (Mc Cutcheon & Moran (2012) Nature Rev Micro, 10, 13) Origine symbio3que des organites eucaryotes •  Les cellules à noyau (eucaryotes) possèdent des « organites » spécialisés dans la bioénergé3que (mitochondries) et, chez les plantes, dans la photosynthèse (chloroplastes) •  Ces organites, bien individualisés, descendent de symbiontes; ils possèdent leurs membranes et leur ADN (environ 1 Mpb pour la mitochondrie mais avec moins de 100 protéines. •  De nombreux gènes ont été transférés au noyau et les protéines sont importées 1-­‐ Des rapports ordinaires: Sexualité, agression, défense 2-­‐ Symbiose: Un mutualisme obligatoire 3-­‐ Mutualisme: La no3on de microbiome 4-­‐ Le parasi3sme: Le monde des pathogènes 5-­‐ La mul3cellularité Les films bactériens Le microbiome humain (Spor et al (2011) Nature Rev Micro, 9, 279) •  Le microbiome représente l’ensemble des bactéries présentes dans (et sur) le corps humain non pathologique •  Ni symbio3que, ni parasite, il est « commensal », avec des espèces établies •  Le milieu intérieur est stérile et les bactéries occupent la peau (2 m2, 1012 bactéries) et toutes les cavités •  L’analyse de toutes les séquences de génomes bactérien est l’objet du Human Microbiome Project (Nature (2012) 486, 207) Microbiome intes3nal •  Le tube diges3f a le plus riche microbiome: Bouche, plusieurs centaines d’espèces; estomac: 10 bact/g de contenu dont Helicobacter pylori; intes3n grêle, 104/g; gros intes3n: 1012/
g (1kg total, 10 fois le nombre de cellules du corps, 100 fois plus de gènes que le génome humain; beaucoup d’anaérobies) •  Le microbiome du colon est impliqué dans les maladies inflammatoires intes3nales (Maladie de Crohn) •  Les bactéries pathogènes pénètrent dans l’épithélium ou injectent leur toxines •  Les défenses immunitaires sont localisées au niveau d’organes spécialisés (Plaques de Peyer) (Nell et al (2010) Nature Rev Micro, 8, 264) Fonc3on diges3ve du microbiome intes3nal •  Les nutriments arrivant dans le colon sont ceux qui ont résisté à l’ac3on mécanique (dents, estomac), chimique (estomac), enzyma3que (intes3n) •  Ce sont souvent des sucres complexes •  Les bactéries intes3nales dégradent ces molécules en acides gras à courtes chaines (SCFA) u3lisées par l’hôte •  Le milieu est anaérobie avec produc3on de CH3 et H2S Des réac3ons de ce type se trouvent chez les ruminants qui digèrent les végétaux et les termites, le bois (Koropatkin et al (2012) Nature Rev Micro, 10, 323) Stabilité du microbiome intes3nal •  L’intes3n offre aux bactéries un milieu auquel elle se sont adaptées; les bactéries par3cipent à la diges3on, mais aussi au développement du système immunologique (les souris germ-­‐free sont moins résistantes) et par compé33on, elles protègent des pathogènes •  Comment l’équilibre est maintenu? Est-­‐il stable? •  Une analyse sur 37 sujets sur 5 ans de leur « métagénome » indique une forte stabilité de la diversité des espèces; un régime basses calories augmente la variabilité •  Similarité des microbiomes des membres d’une famille (Faith et al (2013) Science 341,) Comment le microbiome est-­‐il acquis? •  Le microbiome ini3al est acquis par contamina3on vaginale ou pendant les manipula3ons (Césarienne); il est ini3alement pauvre (Firmicutes) et sensible aux évènements extérieurs •  La colonisa3on va suivre le développement: à 3 ans, les Bacteroidetes représentent 30 à 50% •  Chez certains animaux (cheval, iguane), les jeunes mangent les déjec3ons; chez le koala, la mère les donne à sa descendance. (Spor et al (2011) Nature Rev Micro, 9, 279) Stabilité des bactéries du microbiome •  Souvent les bactéries du microbiome ne sont pas retrouvées en dehors de l’hôte •  Il y a des adapta3ons des espèces en fonc3on de l’hôte pour maximiser l’interac3on •  Les Japonais mangent beaucoup d’algues marines et les bactéries intes3nales ne digèrent pas ces structures complexes •  Certaines bactéries marines le font et des bactéries intes3nales japonaises (Bacteroides plebeius) ont acquis les gènes correspondants, vraisemblablement par transfert horizontal de gènes (Heheman et al (2010) Nature, 464, 908) Varia3ons du microbiome avec la pathologie •  De nombreux travaux s’efforcent de relier le microbiome avec des pathologies •  CeGe approche u3lise généralement le séquençage de l’ARN ribosomial 16s •  Si des résultats ont été obtenus, il est difficile de repérer la cause et l’effet •  Un système expérimental intéressant est l’u3lisa3on de souris germ-­‐free ou germ-­‐free innoculées avec des microbiomes controlés. (Spor et al (2011) Nature Rev Micro, 9, 279) Transplanta3on de microbiomes •  Les microbiomes de deux jumelles, l’une obèse l’autre pas sont transplantés dans des souris germ-­‐free •  Le microbiome Ob induit une adiposité chez la souris •  Le microbiome Lean produirait plus d’acides gras à courte chaine inhibant l’accumula3on de graisse •  Si les deux souris sont dans la même cage, les microbiomes s’échangent et Lean empêche le développement de l’obésité (Ridaura et al (2013) Science, 341, 6150) L’axe intes3n-­‐cerveau •  Des études indiquent une rela3on entre le microbiome intes3nal et le fonc3onnement du cerveau: altéra3on du striatum, de l’hippocampe, de l’amygdale, de l’hypothalamus chez les souris germ-­‐free •  Ces rela3ons impliqueraient les systèmes hormonaux, nerveux et immunitaires (Collins et al (2012) Nature Rev Micro, 10, 735) 1-­‐ Des rapports ordinaires: Sexualité, agression, défense 2-­‐ Symbiose: Un mutualisme obligatoire 3-­‐ Mutualisme: La no3on de microbiome 4-­‐ Le parasi3sme: Le monde des pathogènes 5-­‐ La mul3cellularité Les films bactériens Maladies bactériennes Maladie Agent Transmission Pathologie Diphtérie Corynebacterium diphteriae Aérienne Toxine Légionellose Legionella GouGes eau Pulmonaire Tuberculose Mycobacterium tuberculosis Aérienne Pulmonaire lente Coqueluche Bordetella pertussis Aérienne Toxine Peste Yersinia pes3s Puces Se divise dans macrophages Gangrène Clostridium perfringens Spores dans blessures Nécrose muscle Syphilis Treponema pallidum Sexuelle Va vers système nerveux Tétanos Clostridium tetani Spores blessures Toxine Cholera Vibrio cholerae Eau Toxine Stratégies suivies par l’infec3on bactérienne •  Une première stratégie est la colonisa3on d’un 3ssu adapté, suivie souvent d’une invasion des territoires voisins •  Quand la bactérie survit mal en dehors de l’hôte, l’invasion est lente permeGant la mul3plica3on (tuberculose) •  La bactérie doit échapper aux défenses •  Parmi les facteurs de virulence: coagulase, collagénase, hémolysine, protéines A et G (bloquent an3corps), phospholipase,… •  La seconde stratégie est sécré3on de toxines: les dommages à l’hôte sont plus graves Comment échapper aux défenses: Virulence de Yersinia pes3s •  Les gènes impliqués dans la pathogénicité sont regroupés dans un plasmide (ilots de pathogénicité) •  La bactérie est injectée par la morsure de la puce dans un épithélium •  Elle va u3liser un système de sécre3on de type III pour « désarmer » la défense en bloquant la phagocytose •  Emportée vers les organes lymphocytaires, elle va con3nuer à tuer, produisant les « bubons », accumula3on de cadavres cellulaires Échapper aux défenses: Legionella, Listeria, Mycoplasma Nature Vidéos Comment échapper aux défenses: la vacuole réplica3ve de Legionella •  La bactérie est phagocytosée par un macrophage des alvéoles pulmonaires •  Normalement (image du bas), la vacuole va fusionner avec les lysosomes (organites de diges3on cellulaire) •  La bactérie va sécréter (système de type IV) des protéines qui vont bloquer le trafic membranaire et induire la fusion avec le ré3culum endoplasmique •  La bactérie entre3ent le macrophage en vie en bloquant sa mort programmée (apoptose) (Isberg et al ( 2009) Nature Rev Macro, 7, 13 Comment échapper aux défenses: la stratégie de Listeria (1) •  Listeria est transmise par inges3on d’une nourriture contaminée •  Au niveau de l’intes3n, la bactérie peut être récupérée par un macrophage au niveau des zones de défense (plaques de Peyer) •  Elle a aussi des systèmes d’entrée dans les cellules épithéliales. •  Elle passera ensuite de cellules en cellules par un mécanisme original, dévoyant le cytosqueleGe cellulaire (Cossart & SansoneR (2004) Science,304, 242 Comment échapper aux défenses: la stratégie de Listeria (2) •  Après son entrée dans une cellule par endocytose (phagocytose), Listeria va sécréter des protéines qui lui permeGront de s’échapper •  Une protéine perforant la membrane vésiculaire et une phospholipase •  Après division, elle recrute l’ac3ne cellulaire et u3lise sa polymérisa3on pour se déplacer •  Elle va déformer la membrane cellulaire et former une nouvelle vésicule dans la cellule adjacente (Ray et al (2009) Nature Rev Micro, 7, 333) Les toxines bactériennes Bactérie AcOvité enzymaOque Effet Bordetella pertussis ADP-­‐ribosyla3on des protéines G Bloque la signalisa3on Clostridium botulinum Protéase spécifique Bloque transmission synap3que Vibrio cholerae ADP-­‐ribosyla3on de Gs Augmente cAMP Corynebacterium diphterae ADP-­‐ribosyla3on du facteur Bloque synthèse des d’élonga3on EF-­‐2 protéines Shigella dysenteriae ARN N-­‐glycosidase Inhibi3on de la synthèse protéique Clostridium tetani Protéase spécifique Bloque transmission synap3que Bacillus anthracis LF: Protéase MAPPK Bloque signalisa3on Les exotoxines à deux composants AB Entrée des toxines AB dans la cellule •  Ces toxines sont des protéines et leur passage à travers les membranes lipidiques est ac3ve •  La chaine B ( jaune + vert) assure la reconnaissance de la cible ( jaune) et sa transloca3on (vert); le domaine vert forme un pore à travers duquel la chaine A (rouge) est transportée. (Murphy (2011) Toxins, 3, 294) Les neurotoxines clostridiales (Tétanos, botulisme) •  Le tétanos (fig haut) est une paralysie paroxys3que; le botulisme une paralysie flasque •  Les deux sont produits par des Clostridium mais les toxines sont différentes •  Les chaines A sont toutes deux des protéases ciblant des protéines indispensables à la transmission synap3que, chacune n’a qu’un site de coupure dans le neurone •  Les chaines B ciblent des neurones différents •  C ’est la différence entre les neurones qui explique la différence des effets An3bio3ques Cible Molécule Synthèse de la paroi Pénicilline Céphalosporine Inhibi3on synthèse protéique (ribosome) Aminoglycosides: streptomycine, néomycine Macrolides: erythromycine Chloramphénicol Inhibiteur synthèse ADN Rifampine An3métabolites Sulfonamides Triméthoprine Isoniazide Résistance aux an3bio3ques •  Une bactérie devient résistante en: –  Modifiant la cible de l’an3bio3que (muta3on) ou bloquant son entrée –  En dégradant l’an3bio3que (transfert des gènes d’immunité du producteur) –  Altérant l’an3bio3que –  Expulsant l’an3bio3que (pompe mul3drogue résistance) •  Les systèmes de résistance sont souvent regroupés sur des plasmides que les bactéries échangent (conjugaison, phages, transforma3on) Une ancienne observa3on expliquée: les « persistants » (1) (Maisonneuve et al (2013) Cell, 154, 1140) •  Dans une culture, des individus « rentrent en sommeil »; ils ne se divisent plus •  Cet état les rend insensibles aux an3bio3ques qui agissent sur la croissance cellulaire •  Après le départ des an3bio3ques, ces cellules se réveillent et se divisent •  Les cellules synthé3sent des toxines protéiques qui bloquent la croissance et sont modulées par des an3toxines •  Un effet stochas3que peut changer l’équilibre Une ancienne observa3on expliquée: les « persistants » (2) •  Une popula3on de E coli en croissance est transférée dans un système microfluidique (à gauche); toute les cellules se divisent sauf une. •  Celle-­‐ci exprime le système Toxine-­‐An3toxine (marqueur GFP) •  A droite, la cellule verte ne se divise pas; quand on ajoute un an3bio3que (trait rouge), elle n’est pas tuée et se divise quand l’an3bio3que est lavé •  Le système toxine-­‐an3toxine est élevé chez des « persistantes » Une ancienne observa3on expliquée: les « persistants » (3) •  Dans ceGe expérience, proche de la précédente, la fluorescence indique le niveau de (p)ppGpp, une molécule impliquée dans la régula3on du système Toxine-­‐An3toxine •  Comme dans l’expérience précédente, la fréquence des persistants (cellules fluorescentes) est d’environ 1/10 000 •  La stratégie des persistants a vraisemblablement été sélec3onnée pour permeGre la survie de la colonie: une bactérie a un choix (stochas3que) se diviser ou non, être vulnérable ou non 1-­‐ Des rapports ordinaires: Sexualité, agression, défense 2-­‐ Symbiose: Un mutualisme obligatoire 3-­‐ Mutualisme: La no3on de microbiome 4-­‐ Le parasi3sme: Le monde des pathogènes 5-­‐ La mul3cellularité Les films bactériens La mul3cellularité chez les bactéries •  Les bactéries ont longtemps été considérées comme des cellules uniques, la mul3cellularité ayant été inventée plus tard •  On considère maintenant que le phénomène n’est pas excep3onnel et que l’évolu3on lui a donné plusieurs formes: •  Agréga3on de cellules: film bactérien; sépara3on incomplète de cellules: cyanobactéries; forma3on de synci3um: streptomycètes •  Deux avantages: résistance au stress et à la préda3on; coopéra3on pour la recherche de nutri3on ( Claessen et al (2012) Nature Rev Micro, 10, 115) Streptomyces: une mul3cellularité organisée •  Bactéries du sol, elle sont Selman A Waksman: Prix Nobel 1952 responsables de l’odeur des forêts •  Elles se développent à par3r d’une spore sous forme d’un filament (synci3um) à plusieurs « nucloïdes » •  Après un stress, des filaments ver3caux vont se dresser et la colonie souterraine va subir une mort programmée qui va alimenter la colonie aérienne, qui va produire les spores •  À ce moment, sécré3on d’an3bio3ques (streptomycine) qui vont limiter l’accès de bactéries concurrentes La division du travail: les cyanobactéries (1) •  Ces bactéries photosynthé3ques ont joué un rôle déterminant dans la créa3on de l’atmosphère •  Elles existent sous la forme de filaments •  Leur mul3cellularité pose les ques3ons de l’adhésion cellule-­‐
cellule, de la communica3on cellulaire et de la différencia3on cellulaire •  Trois types cellulaires: cellules végéta3ves, hétérocystes, hormogonies, akinètes La division du travail: les cyanobactéries (2) •  Les cyanobactéries sont capables de photosynthèse oxygénique (produc3on O2) •  Mais elles peuvent aussi fixer N2; la cellule u3lise le phosystème I pour produire de l’ATP et une nitrogénase, sensible à O2 réduit N2 •  Les deux systèmes étant incompa3bles, les réac3ons se font dans des cellules différentes La division du travail: les cyanobactéries (3) •  Quand les cellules sont limitées en azote biologique, des cellules, souvent en fin de chaine, se différencient en hétérocystes •  Dans le filament, il y a con3nuité des membranes externes et discon3nuité des membranes internes •  Il y a des possibilités d’échange •  A gauche, hétérocyste, à droite cellule végéta3ve (Flores & Herrero (2010) Nature Rev Micro, 8, 39) La division du travail: les cyanobactéries (4) •  Outre les cellules végéta3ves et les hétérocystes, les cyanobactéries peuvent aussi être des akinètes, qui sont des spores (formes de résistance) •  Et des hormogonies, formées de cellules plus pe3tes et mobiles (formes de dissémina3on) •  Les cyanobactéries, formes de vie très anciennes, sont capables de mul3cellularité et de différencia3on Myxococcus xanthus: des loups qui chassent en bandes (1) À gauche: cellule unique, flèche blanche, agrégats, flèche noire (Zusman et al (2007) Nature Rev Micro, 5, 862) •  CeGe bactérie du sol se nourrit d’autres bactéries •  En présence d’une colonie d’E coli, elle forme des vagues qui passent sur ses proies •  Elles tuent au contact, en libérant des an3bio3ques et des enzymes •  En bas, à droite: les vagues sur la colonies. Quand deux vagues se rencontrent, réflexion •  Quand la nourriture manque, la mort programmée permet la forma3on de spores Myxococcus xanthus: des loups qui chassent en bandes (2) •  Les mouvements cohérents ne font pas appels à des flagelles mais des cils (pilus type IV) •  Ceux-­‐ci croissent, puis se rétractent en 3rant la bactérie •  Quand la bactérie est isolée, le mouvement est différent (cours précédent), avec des points de contact fixes et un déplacement hélicoïdal Mouvements collec3fs •  Chez certaines bactéries, on observe des mouvements collec3fs lors de leurs déplacements sur certaines surfaces solides •  Ce comportement implique la mul3plica3on des flagelles et leur associa3on en un faisceau; les individus sont associés en radeaux; quand ils quiGent le radeau, ils perdent leur mobilité (Kearns 2010) Nature Rev Micro, 8, 636) Howard Berg Serra3a marcescens Les biofilms Forma3on de biofilm chez B sub3lis •  B sub3lis est un bon modèle: in vivo il forme des films à la surface des racines et in vitro, sur l’agar, mais aussi à la surface de milieux liquides •  Après liaison à la surface, on a perte des flagelles et sécré3on d’une matrice extracellulaire •  Quand les condi3ons sont moins bonnes, sporula3on et « cannibalisme » (Vlamakis et al (2013) Nature Rev Micro, 11, 157) La matrice extracellulaire des biofilms •  La matrice est sécrétée par les bactéries; elle con3ent des polysaccharides, des protéines et de l’ADN (transfert de gène) •  La protéine BslA (B sub3lis) forme un film élas3que hydrophobe à la surface •  La vie dans le film a un coût: la communauté tend à éliminer les tricheurs: sécré3on d’an3bio3ques/toxines contre lesquels sont immunisés les « fondateurs » et leur descendance (Flemming & Wingender (2010) Nature Rev Micro, 8, 623) Architecture et assemblage du biofilm de Vibrio cholerae •  La forma3on du film suit la sécré3on séquen3elle de 3 protéines •  La 1ère assure la cohésion cellule-­‐
cellule (gris dans la vidéo); la seconde, l’adhésion sur le substrat (vert) et la troisième emballe les groupes (rouge) (Berk et al (2012) Science, 337, 236) Canaux hydriques dans un biofilm de B sub3lis •  Quand le film se développe, des « fronces » apparaissent (A) •  L’injec3on d’un colorant révèle des canaux suivant les plissements •  La circula3on dans les canaux est assurée par l’évapora3on au niveau du film •  Dans la vidéo, on injecte des par3cules colorées en rouge: si le film est recouvert, le mouvement disparaît •  Les canaux apportent des nutriments: quand l’évapora3on diminue, la croissance ralen3t (Wilking et al (2013) Proc Ntl Acad Sc, 110, 843) Hétérogénéité des films bactériens •  L’environnement est différent aux bords (milieu riche et aérobie) et au centre: espèces différentes, métabolisme différents •  Les cellules échangent des signaux: chasse aux tricheurs, quorum sensing; le protéome peut être très différent •  Des persitants peuvent apparaître •  Des mutants peuvent être induits: transfert de gènes horizontal Films bactériens et pathogénicité •  Le film bactérien augment la pathogénicité: en offrant une protec3on contre les macrophages; en permeGant la survie des persistants; en augmentant l’efficacité du quorum sensing qui induit les ilots de pathogénicité (Lewis (2007) Nature Rev Micro, 5, 48) Applica3on biotechnologique des biofilms: les piles à combus3bles bactériennes •  Dans une telle pile, l’oxyda3on anodique est faite par des bactéries. •  On u3lise des bactéries donnant les électrons directement à l’anode (sans catalyseur) •  Cela est fait soit par des cytochromes dans la membrane externe, des nanofils ou des médiateurs •  Les films poussant sur l’anode sont adaptés (Logan (2009) Nature Rev Micro, 7, 375) La physique dans le monde de la microbiologie •  Des nanostructures permeGent l’encapsida3on d’une bactérie dans un environnement lipidique •  Les images du haut montrent la bactérie dans son environnement •  Dans les 4 images du bas, on teste l’appari3on d’un signal de quorum sensing chez Staphylococcus aureus (a, c) et l’expression d’un gène de virulence (b,d) •  Le signal apparaît après 10h, montrant que la concentra3on du signal est déterminante (Carnes et al (2010) Nature Chem Biol, 6, 41) En guise de conclusion •  La no3on que l’on a d’organismes isolés luGant pour leur survie est largement fausse •  Depuis leur appari3on il y a 3 milliards d’années, les bactéries ont développé de nombreuses stratégies de communica3on et de survie •  Les recherches récentes ont apporté des données inaGendues: quorum sensing, persistants, films bactériens •  Des domaines comme l’importance de notre microbiome sont encore à explorer •  La bactériologie est une science d’avenir Prochains cours •  Mercredi 7 mai : Cours 1 IntroducOon : défini3on de la microbiologie, limita3on aux virus et bactéries ; Virologie : des bactériophages au virus du SIDA, les virus sont-­‐ils vivants ? Et le prion ? •  Mercredi 21 mai : Cours 2 Les bactéries: comment sont-­‐
elles organisées ? Comment sont-­‐elles capables de s’adapter à tous les milieux : température 121°C, croissance sur Arsenic, résistance rayonnements ionisants ? •  Mercredi 4 juin : Cours 3 La vie sociales des bactéries : Les biofilms, le quorum sensing, la symbiose, le microbiome •  Mercredi 18 juin : Cours 4 Comment nous défendre ? : L’immunologie innée et l’immunologie acquise, des réseaux complexes •  Mercredi 25 juin : Cours 5 La biologie synthéOque : En savons nous assez pour « fabriquer » de nouveaux microbes ?