Nutrition et métabolisme des microorganismes

Chapitre n°3
Chapitre n°3Chapitre n°3
Chapitre n°3 : Nutrition et métabolisme des microorganismes
: Nutrition et métabolisme des microorganismes: Nutrition et métabolisme des microorganismes
: Nutrition et métabolisme des microorganismes
En dehors de l’eau, les micro-organismes sont constitués principalement de molécules de taille importante
(protéines, acides nucléiques, polysaccharides et lipides) : les polymères représentent plus de 95 % du
poids sec de la cellule. Ces macromolécules résultent de l’assemblage de petites molécules solubles
disponibles dans le cytoplasme (acides aminés, bases azotées, oses…). Les ions minéraux ne
représentent que 1 % du poids sec de la cellule. Pour réaliser ces biosynthèses, un micro-organisme doit
disposer des nutriments nécessaires et d’une source d’énergie utilisable.
1. Besoins nutritionnels
1.1. Besoins élémentaires
La matière sèche d’une bactérie telle qu’E. coli est composée de quelques macro-éléments : C, O, H, N,
S, P, constituants des molécules organiques ; K, Ca, Na, Mg et Fe, à l’état de cations dans la cellule et
ayant des rôles divers. Certains éléments ne sont retrouvés qu’à l’état de « traces » : Mn, Zn, Co, Ni, Cu,
Mo… Ce sont des oligo-éléments (ou micro-éléments), nécessaires au métabolisme microbien, car ils
interviennent en tant que cofacteur ou activateur de réactions enzymatiques. Les besoins élémentaires
sont différents d’une espèce à une autre, en fonction du milieu de vie notamment.
1.1.1. Source de carbone
Les exigences nutritionnelles en carbone conduisent au classement des micro-organismes en deux grandes
catégories :
- les autotrophes sont capables de se développer en milieu minéral (inorganique) en utilisant le
dioxyde de carbone (CO
2
) ou les ions hydrogénocarbonates (HCO
3-
) comme seule source
de carbone pour synthétiser leurs constituants carbonés ;
- les hétérotrophes, exigent des molécules organiques (sucres et dérivés, acides organiques,
peptides et acides aminés…), pour leur croissance. Certains micro-organismes sont capables
d’assimiler de nombreuses substances organiques différentes, tandis que d’autres ont des
capacités métaboliques restreintes à quelques substrats (voir un seul).
1.1.2. Source d’énergie
Il existe seulement deux sources d’énergie disponibles pour les êtres-vivants :
- l’énergie lumineuse, transformée en ATP par les phototrophes, grâce à des pigments
(chlorophylles, bactériochlorophylles, carotènes…) ;
- l’énergie chimique, provenant de l’oxydation de molécules minérales (chimiolithotrophes)
ou organiques (chimioorganotrophes).

1.1.3. Source d’azote
Les micro-organismes peuvent puiser l’azote dans des molécules organiques (acides aminés, bases
azotées) ou plus généralement dans des composés minéraux :
- les ions ammoniums, NH
4+
;
- les ions nitrates, NO
3-
(grâce à la nitrate réductase B dite assimilatrice) ;
- l’azote atmosphérique, N
2
(grâce à la nitrogènase, présente chez Rhizobium et Azotobacter).
NO
3-
et N
2
sont transformés en ions NH
4+
, qui sont ensuite incorporés à des acides α-cétoniques, formant
ainsi des acides α-aminés.
1.1.4. Source de soufre et de phosphore
Les acides aminés soufrés (cystéine, méthionine) peuvent fournir le soufre aux micro-organismes. Dans
de nombreux milieux de culture, le soufre est fourni sous forme d’ions sulfates (SO
42-
), réduits en sulfites
(SO
32-
) puis en sulfures (H
2
S). H
2
S est ensuite incorporé à la sérine pour former la cystéine.
Le phosphore entre généralement dans la cellule sous la forme d’ions phosphates (PO
43-
).
1.2. Besoins en facteurs de croissance
E. coli est capable de se développer dans un milieu minéral additionné de glucose : elle peut donc
synthétiser tous ses constituants carbonés à partir d’une seule source de carbone (le glucose par exemple).
Proteus vulgaris n’a pas cette capacité : il ne peut se développer dans un tel milieu que si de l’acide
nicotinique lui est fourni en petite quantité. Proteus vulgaris est auxotrophe pour l’acide nicotinique, qui
représente un facteur de croissance pour cette espèce bactérienne. E. coli est dite prototrophe, car elle
n’exige pas de facteur de croissance.
Un facteur de croissance est une molécule organique qu’un micro-organisme doit puiser dans son milieu
car il ne peut pas le synthétiser. Les facteurs de croissance sont répartis en trois classes :
- les acides aminés, nécessaires à la synthèse des protéines ;
- les bases azotées (purines et pyrimidines), nécessaires à la synthèse des acides nucléiques ;
- les vitamines, coenzymes (ou leurs précurseurs) indispensables pour de nombreuses réactions.

1.3. Applications à la conception et à l’utilisation des milieux de culture
Au laboratoire, la culture des micro-organismes requiert des milieux (liquides ou solides) contenant les
nutriments nécessaires à la croissance microbienne. Les exigences des micro-organismes étant
extrêmement variables d’une espèce à une autre, il existe une grande diversité de milieux de culture. Pour
satisfaire ces exigences, un milieu doit répondre aux besoins élémentaires et aux besoins spécifiques
(facteurs de croissance) de la souche étudiée, et présenter des conditions physico-chimiques favorables
(pH, pression osmotique en particulier).
On distingue deux types de milieux :
- les milieux synthétiques, dont la composition précise est connue ;
- les milieux empiriques, qui contiennent des extraits (de viande, de levure…) et/ou des
hydrolysats (peptones) dont les compositions sont variables.
Le milieu urée-indole est un des rares milieux synthétiques utilisés en bactériologie alimentaire, pour
l’identification des Enterobacteriaceae. Sa composition est la suivante (pour un litre de milieu) :
urée 2,0 g
L-tryptophane 0,3 g
éthanol à 0,95 1 ml
rouge de phénol 2,5 mg
chlorure de sodium 0,5 g
dihydrogénophosphate de potassium 0,1 g
hydrogénophosphate de potassium 0,1 g
Parmi les milieux empiriques, l’un des plus courants est la gélose TCS (trypto caséine soja), dont la
composition permet la croissance des micro-organismes peu exigeants :
peptone trypsique de caséine 15,0 g
peptone papaïnique de soja 5,0 g
chlorure de sodium 5,0 g
agar 15,0 g
Les peptones sont des protéines ayant subi une digestion partielle par des enzymes (caséine hydrolysée
par la trypsine, substrats provenant du soja par la papaïne). Les peptones contiennent, en proportions
variables, des acides aminés et des polypeptides de masse moléculaire plus ou moins importante.
Pour les bactéries plus exigeantes, on utilise des milieux enrichis, notamment en facteurs de croissance.
Le milieu MRS (Man, Rogosa, Sharpe) permet la culture des bactéries lactiques, tandis que la gélose
chocolat supplémentée est utilisée en bactériologie clinique pour l’isolement des Neisseria et des
Haemophilus. Enfin, la microbiologie fait également usage de milieux sélectifs, contenant des substances
capables d’inhiber la croissance d’un groupe plus ou moins important de germes (BEA, Drigalski…).

Gélose MRS
peptone 10,0 g
extrait de viande 8,0 g
extrait de levure 4,0 g
glucose 20,0 g
acétate de sodium trihydraté 5,0 g
citrate d'ammonium 2,0 g
tween 80 1,0 ml
hydrogénophosphate de potassium 2,0 g
sulfate de magnésium heptahydraté 0,2 g
sulfate de manganèse tétrahydraté 0,05 g
Agar 10,0 g
Gélose chocolat supplémentée
peptone trypsique de caséine 7,5 g
peptone pepsique de viande 7,5 g
amidon de maïs 1,0 g
hydrogénophosphate de potassium 4,0 g
dihydrogénophosphate de potassium 1,0 g
chlorure de sodium 5,0 g
hémoglobine 10,0 g
supplément Polyvitex (vitamines) 1,0 mL
agar 15,0 g
BEA (bile esculine azide)
peptone 17,0 g
peptone pepsique de viande 3,0 g
extrait de levure 5,0 g
esculine 1,0 g
citrate de sodium 1,0 g
citrate de fer ammoniacal 0,5 g
bile de boeuf déshydratée 10,0 g
azide de sodium 0,25 g
chlorure de sodium 5,0 g
agar 13,0 g
Drigalski
peptone 15,0 g
extrait de viande 3,0 g
extrait de levure 3,0 g
lactose 15,0 g
désoxycholate de sodium 1,0 g
cristal violet 0,005 g
bleu de bromothymol 0,080 g
thiosulfate de sodium 1,0 g
agar 11,0 g
Le milieu BEA, permettant l’isolement sélectif des Enterococcus, contient un agent empêchant la culture
de nombreuses bactéries, l’azide de sodium. La gélose Drigalski, par la présence du cristal violet
(inhibiteur des bactéries Gram positives) et du désoxycholate de sodium, permet d’isoler les bacilles
Gram négatifs (Enterobacteriaceae, Pseudomonas…). La nature des agents sélectifs est variable
(antiseptiques, antibiotiques, colorants, NaCl, tellurite…).
La mise en évidence de la dégradation de substrats est fréquente sur ce type de milieu :
- utilisation d’un sucre caractérisée par un virage d’un indicateur coloré de pH (lactose + bleu de
bromothymol pour le milieu Drigalski) ;
- précipitation d’un produit du métabolisme avec l’un des composants du milieu (esculétine
libérée par l’hydrolyse de l’esculine + fer pour le milieu BEA)…

2. Métabolismes
2.1. Métabolisme énergétique
2.1.1. Rôle de l’ATP
Les synthèses cellulaires sont coûteuses en énergie. Le métabolisme énergétique d’un micro-organisme
fournit cette énergie sous la forme d’un composé intermédiaire, sorte de « monnaie d’échange », l’ATP
ou adénosine triphosphate. L’ATP permet le couplage (figure 1) entre des réactions libérant de
l’énergie (exergoniques, ∆
∆∆
∆G
0
’ < 0) et des réactions consommant de l’énergie (endergoniques, ∆
∆∆
∆G
0
’ > 0).
L’hydrolyse de l’ATP en ADP génère une variation d’enthalpie libre standard ∆
∆∆
∆G
0
’ d’environ
– 30 kJ.mol
-1
.
figure 1
Dans une cellule, l’ATP peut être synthétisé :
- par phosphorylation au niveau du substrat, dans le cytoplasme ;
- par phosphorylation liée à un gradient électrochimique de protons de part et d’autre d’une
membrane biologique, par un complexe ATP synthétase (figure 2). Ce mode de production
concerne la photophosphorylation et la phosphorylation oxydative.
figure 2
2.1.2. Phototrophes