Documents de travail – Lycée Senghor – Evreux

Exercice de rappel sur les virus
1- Vrai ou Faux (justifier lorsque la proposition est fausse)
- Toutes les particules virales possèdent obligatoirement une capside faites de protéines et du matériel génétique
- Toutes les particules virales ont la même structure
- Les virus possèdent un acide nucléique, cet acide nucléique est obligatoirement de l’acide désoxyribonucléique
- Les virus produisent leur propre énergie
- Les virus peuvent avoir comme hôte des cellules eucaryotes ou procaryotes.
- Certains virus peuvent s’intégrer au génome de la cellule hôte
- La libération des virus provoque généralement la mort de la cellule
2- Lister dans l’ordre les étapes d’un cycle viral
Document 1 : La classification des bactériophages
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Activité 1 : A l’aide du document 1, 2a compléter les documents 2 b, 3 et commenter les document 2c, et d
Document 1
Les bactériophages ont des formes et des styles de vie variés. Toutefois, deux groupes se distinguent : les phages
lytiques qui détruisent les bactéries hôtes, et les phages lysogéniques, dont le matériel génétique s’immisce dans le
génome bactérien. Les premiers sont au moins dix fois plus nombreux que les seconds.
Tous les phages partagent les mêmes étapes précoces du cycle infectieux, à savoir la reconnaissance et l’adsorption
sur la bactérie cible, puis l’injection du matériel génétique dans le cytoplasme bactérien. Les deux étapes suivantes,
l’infection elle-même, au détriment de la cellule bactérienne, avec la réplication, la synthèse des protéines virales du
phage, l’assemblage et la lyse bactérienne avec libération des nouveaux bactériophages, sont immédiates pour les
phages lytiques, mais retardées pour les phages lysogéniques.
Pendant ce cycle lysogénique, l’ADN du phage est intégré dans le génome bactérien et la bactérie avec ce prophage
peut se diviser. Cette latence perdure tant que les gènes requis pour la lyse sont réprimés. Ainsi, de véritables
échanges de matériel génétique entre l’hôte et le bactériophage ont lieu durant cette « cohabitation » forcée. [ …]
En réponse à certaines perturbations externes, comme une forte exposition à la lumière ultra-violette, ou une
hausse de température, le phage lysogénique quitte son état dormant et redevient lytique.
Document 2 Un modèle pour l’étude du le cycle lytique : le phage lytique T4
infectant E.coli
a- Présentation du phage T4
b- Cycle lytique
c-Observation au MET d’E.coli infectée par le phage T4
d- Evolution des constituants phagiques suite à l’infection d’une population
bactérienne
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Document 3 : Un modèle pour l’étude du cycle lysogénique : le phage lambda infectant E.coli
a- Présentation du phage lambda
b- Cycle lysogénique
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Activité 2 (en lien avec ETLV )
A l’aide des documents 4 et 5 compléter le tableau comparatif
Document 4 : La transduction généralisée.
Après l’injection de l’ADN d’un phage dans la bactérie donneuse (A), le phage se multiplie par un cycle lytique :
- destruction de l’ADN bactérien : mais malgré cela un gène de la bactérie donneuse reste entier (gène g)
- réplication de l’ADN viral
- formation de capside
- formation de virions : lors de l’assemblage il y a une encapsidation anormale du gène g bactérien, ce qui
forme un page défectif.
- lyse de la bactérie A : libération de phages normaux et d’un phage défectif
Le phage défectif, peut infecter une bactérie receveuse (B). Le gène g, s’apparie à une région homologue gène g’,
c'est-à-dire qu’il s’associe à des paires de bases quasiment identiques du génome de la bactérie. Dans la bactérie B il
y a échange par recombinaison entre le gène g’ et le gène g de la bactérie A. La bactérie B a acquit un caractère
différent. Il y a transfert d’un gène de la bactérie donneuse à la bactérie receveuse.
Document 5 : La transduction restreinte
Un phage tempéré infecte la bactérie donneuse A. Le phage commence son cycle lysogène et s’intègre, sous forme
de prophage, dans le chromosome bactérien.
Suite à une induction par les UV, par exemple, le phage passe d’un cycle lysogénique à un cycle lytique. Il y a
libération d’ADN phagique, si l’excision ne s’effectue pas aux extrémités des gènes phagiques, des gènes de la
bactéries donneuse sont excisés : l’ADN du phage est défectif, il reste à l’état circulaire dans la bactérie, mais ne peut
pas induire un cycle lytique.
La surinfection par le phage tempéré, va déclencher le cycle lytique : il y aura formation de phages normaux et
défectifs.
Après libération, le phage défectif peut infecter une bactérie receveuse. L’ADN du phage défectif s’intègre alors dans
le chromosome bactérien, la bactérie B acquiert un nouveau caractère.
Transduction généralisée
Phage(s) acteurs, (pour
chaque phage indiquer la
bactérie infectée et le
cycle viral)
Mode d’intégration du
nouveau gène dans la
bactérie receveuse
Justification du nom de la
transduction…
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Transduction restreinte
Activité 2
-A l’aide des études de cas, compléter la deuxième colonne dans le tableau
-Indiquer dans la troisième colonne le domaine d’application en biotechnologie, et si la présence ou l’utilisation de
bactériophage est un avantage ou un inconvénient pour les biotechnologies, indiquer le domaine d’application
- Enfin faire un travail de synthèse pour cela compléter la première colonne du tableau en indiquant les propriétés
des bactériophages impliquées.
Cas N°1 :
source : Paquet hygiène, Groupe scientifique sur l'eau Institut national de santé publique du Québec, 2002
La norme 10705 spécifie une méthode de détection et de dénombrement des coliphages somatiques par incubation de
l'échantillon avec une souche-hôte appropriée. La méthode est applicable à tous les types d'eaux, aux extraits de
sédiments et de boues, si nécessaire après dilution. La méthode est également applicable aux extraits de coquillages.
Critères d’une eau potable : 0 bactériophage dans 100 mL
Lors du traitement des eaux potables, certains bactériophages peuvent être utilisés comme indicateurs; ce sont surtout
les bactériophages des bactéries coliformes qui ont retenu l'attention. Comme les bactéries coliformes,
particulièrement les coliformes fécaux, ont déjà une fonction indicatrice importante (pollution fécale), les virus
infectant ces bactéries sont donc d'un intérêt particulier.
Les bactériophages des bactéries coliformes, aussi appelés coliphages, sont scindés en deux groupes :
les coliphages somatiques qui infectent la bactérie en s'attachant à la paroi cellulaire, et les coliphages mâles
spécifiques (virus à ARN) qui s'attachent aux pili sexuels ou F.
Dans une eau non désinfectée et vulnérable, et en l'absence d’autres indicateurs de qualité microbienne (coliformes
fécaux, E. coli et entérocoques), la présence de coliphages mâles spécifiques laisse soupçonner une contamination
d'origine fécale plus ou moins récente. Les virus bactériens et animaux ayant une
survie plus longue (de l’ordre de quelques mois) que celle des bactéries indicatrices,
la présence de coliphages mâles spécifiques suggère que des virus entériques
humains pourraient être également présents.
À 100 mL d'échantillon, on ajoute la suspension de cellules hôtes appropriées en
phase de croissance logarithmique et 100 mL de milieu gélifié TSA (trypic soy agar),
à concentrée deux fois, à 45 °C. Ce mélange est réparti dans 5 à 10 boites de Pétri qui
sont ensuite incubées pour la nuit. Les plages de lyse sont alors dénombrées et
exprimées en unité formant des plages par 100 mL (ufp/100mL ).
Cas N°2 :
Sources :
Contrôle des bactériophages dans la transformation laitière avec les filtres Emflon® de Pall, juin 2010
Dea d’œnologie : La lysogénie de Leuconostoc Oenos et son implication dans la fermentation malolactique, Université de Bordeaux II, 1993
Les phages représentent une menace pour tous les processus de fermentation bactérienne car ils ont la capacité de
détruire les bactéries assurant ces fermentations.
Le vin qui est un produit nécessitant une fermentation bactérienne, la fermentation malolactique, n’échappe pas à ce
problème. En outre, les fabricants de bactéries destinées à ensemencer les cuves de vin en début ou en difficulté de
fermentation malolactique, (ces bactéries sont appelées cultures de départ) en sont aussi victimes. Une attaque de
phages dans un milieu de culture extrêmement riche en bactéries, par exemple dans un fermenteur industriel peut
entraîner la perte définitive de la souche bactérienne.
Les ferments lactiques jouent un rôle vital dans la fabrication des yaourts, du beurre, du fromage et autres produits
laitiers fermentés. Ils produisent l’acide lactique qui joue un rôle primordial sur les caractéristiques qualitatives telles
que le goût, l’arôme et la texture, et favorisent le contrôle de la flore microbienne.
Les bactériophages sont un groupe de virus qui ciblent des bactéries spécifiques du ferment lactique, tels que les
Lactocoques. Les interactions spécifiques phage-hôte peuvent entraîner la lyse complète des cellules cibles du virus et
diminuer le rendement de la culture.
L’infection par bactériophage est la cause majeure de défaut de fermentation ou d’une production lente d’acides lors
de la fermentation. Il en résulte des incubations interminables ou des cuves « mortes » typiques.
Tout phage contaminant une cuve de ferments lactiques peut en inhiber l’activité ou tuer des souches ayant une
fonction essentielle telle que la production d’arôme, avec des conséquences négatives sur la qualité du produit final.
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Cas N°3 :
Sur un milieu gélosé approprié, des stries de différentes bactéries sont
effectuées. Au centre de chacune de ces stries une anse de suspension de
phage est déposée. Après incubation, on observe l’apparition ou non de
plages de lyse caractéristiques. En connaissant la spécificité bactérienne
du phage, il est possible d’identifier le genre, l’espèce voire la souche
bactérienne.
Cette technique employant des bactériophages permettant une
identification bactérienne au niveau du genre ou de l'espèce de la souche
(exemples: Brucella (cf boite de Pétri ci contre)) s’appelle la lysotypie.
Cas N°4
Bactériophages et médecine, une longue histoire
Dans son article fondateur de 1917, Félix d’Hérelle isola ses premiers bactériophages à partir des selles de patients en
voie de guérison. Il pensa que ces bactériophages étaient les agents responsables des guérisons naturelles que l’on
pouvait observer à cette époque. A partir de ce raisonnement il démontra rapidement que les bactériophages pouvaient
être utilisés pour traiter des infections bactériennes chez l’homme. Ainsi les bactériophages furent utilisés en médecine
à partir de 1919, 10 ans exactement avant la découverte du premier antibiotique, la pénicilline.
Les bactériophages furent ainsi les premiers agents anti-bactériens spécifiques et naturellement leur utilisation fût
immédiatement développée. Cependant, la nature même de ces bactériophages fût à l’origine d’un débat scientifique
pendant 20 ans jusqu’à ce que la preuve de leur nature virale (via l’observation en microscopie électronique) fût
établie. D’autres évènements, tel que l’avènement des antibiotiques et la seconde guerre mondiale, ont alors précipité
dans l’oubli l’utilisation médicale des bactériophages dans le monde exception faite de l’Europe de l’Est.
Depuis un peu plus de 10 ans les bactéries qui résistent de plus en plus souvent à plusieurs antibiotiques et le
tarissement de la découverte de nouveaux composés antibactériens ont provoqué un regain d’intérêt pour l’application
thérapeutique des bactériophages.
Cas N°5
Source Communiqué de l’institut Pasteur, 2005, en collaboration avec le CNRS
Cholera : comment un parasite rend une bactérie pathogène ?
Le vibrion cholérique est la bactérie responsable du choléra. Tous les Vibrio cholerae ne sont pas pathogènes. Pour
devenir pathogène, le vibrion doit notamment acquérir la capacité à produire la toxine cholérique, qui est responsable
des diarrhées mortelles du choléra. La capacité à produire cette toxine est transmise à la bactérie par un parasite
astucieux, le bactériophage CTX.
Les bactériophages sont des virus qui infectent les bactéries. Pour parasiter le vibrion cholérique, le bactériophage
CTX intègre l’ensemble de son génome dans celui de la bactérie, ce qui lui permet de profiter de la multiplication de
son hôte pour se propager. En « échange », le vibrion acquiert la capacité à produire la toxine cholérique qui est
encodée dans le génome du phage.
Le génome de la plupart des bactéries, et notamment celui du vibrion cholérique, est composé de chromosomes
circulaires d’ADN double brin. Le génome du phage CTX se présente lui sous la forme d’un ADN circulaire simple
brin. Les chercheurs du CNRS et de l’Institut Pasteur viennent de montrer par quel mécanisme le phage CTX « pirate
» la machinerie cellulaire de la bactérie pour permettre l’intégration de son génome malgré cette différence de
structure.
Tout comme le bactériophage CTX, de nombreux autres « parasites » des bactéries sont responsables de la
dissémination dans les bactéries de gènes les rendant infectieuses ou résistantes à des antibiotiques. Le mécanisme
d’intégration du phage CTX pourrait s’appliquer à bon nombre de ces parasites. Les chercheurs de l’Institut Pasteur
ont notamment montré qu’un mécanisme similaire expliquerait l’acquisition de multiples résistances par les bactéries
à Gram négatif, telles que les entérobactéries, les pseudomonas et les vibrions. Ces travaux pourraient permettre de
développer de nouveaux outils thérapeutiques contre les bactéries pathogènes et de lutter contre la propagation de
souches microbiennes multirésistantes.
Cas N°6
Sources : Institut Pasteur , Juin 2009 L. Debarbieux
- Cours de microbiologie générale, Dunod, 2004
En biologie moléculaire il est possible de modifier génétiquement des bactéries au moyen de phages. Les phages sont
alors responsables d’un transfert de gène d’une bactérie donneuse à une bactérie receveuse.
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Conséquences en biotechnologies
Propriétés des bactériophages
Cas N°1
Cas N°2
Cas N°3
Cas N°4
Cas N°5
Cas N°6
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Avantage ou inconvénient pour les biotechnologies
Chapitre 8 Les bactériophages
Un bactériophage ou phage est un virus ayant comme hôte spécifique une bactérie.
Exercice de rappel sur les virus
1- Répondre par vrai ou faux
- Toutes les particules virales possèdent obligatoirement une capside constituée de protéines et du matériel
génétique V
-Toutes les particules virales ont la même structure F, icosaédrique (adénovirus), hélicoïdale (mosaïque du tabac),
mixte (certains bactériophage voir cours), nu (icosaédrique nu, papillomavirus ; ou enveloppé (icosaédrique VIH),
virus de la grippe enveloppé, hélicoïdale)),
-Les virus possèdent un acide nucléique, cet acide nucléique est obligatoirement de l’acide désoxyribonucléique F,
C’est même à la base d’une classification ( ADN db, ADN sb + ou -, ARN db , ARN sb + ou -)
- Les virus produisent leur propre énergie F, ce sont des parasites obligatoires : détournent le métabolisme
cellulaire pour lui apporter de l’énergie, certaines enzymes…
- Les virus peuvent avoir comme hôte des cellules eucaryotes ou procaryotes. V
- Certains virus peuvent s’intégrer au génome de la cellule hôte V (exemple :
-La libération des virus provoque généralement la mort de la cellule
2- Lister dans l’ordre les étapes d’un cycle viral lorsqu’il aboutit à la destruction de la cellule
- attachement du virus à la cellule
- pénétration du virus dans la cellule
- (décapsidation et libération du matériel génétique)
- synthèse
- des protéines de la capside
- du matériel génétique (réplication virale)
- assemblage des constituants pour former des particules virales
-lyse de la cellule et libération des virions
I- Quelle est la classification des phages ?
Les caractères les plus importants pour classer les Bactériophages sont
la nature de l’acide nucléique et la morphologie de capside de la particule virale :
( Rappel : la capside+ AN= Nucléocapside)
Les particules virales contiennent comme acide nucléique
soit de l’ADN simple brin ou double brin
soit de l’ARN simple brin ou double brin.
La capside peut avoir
- une symétrie icosaédrique
- une symétrie hélicoïdale : on appelle bactériophage filamenteux
- une symétrie mixte : (présentant une tête et une queue contractile ou non)
Ils existent quelques phages enveloppés.
A partir de l’observation de bactériophage dans les eaux marines en microscopie électronique et calculs, on estime à
1031 le nombre de bactériophages sur terre.
Là ou se trouvent des bactéries, se trouvent des phages….
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II- Comment se multiplient les phages ?
Activité 1 (Retravaillé ETLV, animation Mc graw hill)
Cycles lytiques et lysogéniques des bactériophages
Le cycle Lytique Documents 2
Document 2 a : Légende
-ADN, symétrie icosaédrique pour la tête (8 0 nm)
-Symétrie hélicoïdale pour la queue (100 nm)
-symétrie mixte pour l’ensemble
Document 2b : Légende :
Schéma 1 :Virus, ADN, bactérie hôte
Etape1 :adsorption
Schéma 2 : capside, ADN
Etape 2 : injection du matériel génétique,
Etape 3 : Réplication (=synthèse du génome virale) et synthèse de protéines virales
Etape 4 : assemblage des particules virales
Etape 5 : lyse de la bactérie, libération des phages.
Document 2c
Légende : bactérie E.coli, paroi
Phage : tête, plaque basales, gaines plus ou moins courtes de la queue
Commentaire :
Les fibres de la queue du phage entre en contact avec des récepteurs spécifiques de la surface de la bactérie.
La plaque basale, s’approche de la paroi bactérienne.
Lorsque la plaque basale est accollée à la paroi, la gaine change de conformation se raccourci.
Le tube centrale perce la paroi et atteint la membrane plasmique de la bactérie au niveau de pore.
L’ADN présent dans la tête du phageest injecté dans le cytoplasme bactérien.
Document 2c et 2d
commentaires
Légende : placer la phase d’éclipse (avant que les virions ne soient libres)
définition : phase succédant l’infection pendant laquelle il y a de nombreuses synthèses mais aucun virion !
la phase de libération
Phase d’éclipse :
- Destruction du chromosome bactérien :les structures cellulaires restent fonctionnelles au service du phage.
- Synthèse des constituants précoces : ARNm, Protéines précoces nécessaire à la réplication virale
- Synthèse d’ADN virale
- Synthèse de protéines de structures du virus (Tête et queue) grâce aux ribosomes de la bactérie mais avec l’ADN du
phage.
Phase d’assemblage et de libération
- Les protéines du phage s’assemblent et emprisonne l’ADN phagique. Le nombre de phage augmente linéairement
- La bactérie éclate et libère sont contenu, toutes les synthèses s’arrêtent alors.
Le cycle lysogénique Documents 3
Légende : virus= phage tempéré, ADN, bactérie hôte
Repérer le cycle lysogénique (à Droite) et lytique (à gauche)
Nom des étapes :
Adsorption
Décapsidation et injection de l’ADN dans le cytoplasme bactérien
Gauche
Droite
Synthèse de l’ADN, des prot virales
intégration de l’ADN du phage (prophage ) dans l’ADN bactérien
Assemblage
MULTIPLICATION BACT2RIENNE
Libération des virions par lyse
Dans certaines cellules le phage tempéré déclenche un cycle lytique (voir avt)
Dans d’autres cellules, les bactéries ne sont pas détruites et le génome du phage s’intègre au chromosome bactérien sous forme
de prophage : cest bactéries sont dites lysogènes . Lors de la multiplication des bactéries lysogènes, le génome virale est
répliquée en meme temps que le génome bactérien
Exemple classique phage lambda et E.coli
L’équilibre entre le prophage et le génome bactérien dans les bactéries lysogène peut être rompu sous l’effet d’inducteurs (ex
UV) , le cycle devient alors lytique.
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III-Comment les phages peuvent-ils transférer du matériel génétique d’une bactérie donneuse à une bactérie
receveuse ?
Activité 2 (Retravaillé en ETLV : animation Mac graw hill)
Compléter le tableau comparatif suivant de ces deux phénomènes (phage acteurs (nombre et nature, cycle viral ),
mode d’intégration du nouveau gène chez la bactérie receveuse)
Transduction généralisée
Un phage lytique infecte la bactérie A, cycle lytique
Phage(s) acteurs, (pour
chaque phage indiquer la
bactérie infectée et le
cycle viral)
Mode d’intégration du
nouveau gène dans la
bactérie receveuse
Justification du nom de la
transduction…
Un phage défectif contenant un gène de la bactérie
A infecte la bactérie B, sans cycle
Transduction restreinte
Un phage tempéré infecte la
bactérie A, cycle lysogénique puis
lytique après induction
Phage de la surinfection de la
bactérie A, cycle lytique
Recombinaison homologue
N’importe quel gène de la bactérie A peut-être
transmis
Phage défectif contenant des gènes
de la bactérie A qui infecte la
bactérie B
Grâce à l’intégration des gènes du
prophage
Seuls les gènes à proximité du site
d’intégration du phage lysogénique
dans le chromosome peuvent être
transmis
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III- Analyse de situations : Les bactériophages en biotechnologies
Activité 2
-A l’aide des études de cas, compléter la deuxième colonne dans le tableau
-Indiquer dans la troisième colonne le domaine d’application en biotechnologie, et si la présence ou l’utilisation de
bactériophage est un avantage ou un inconvénient pour les biotechnologies, indiquer le domaine d’application
- Enfin compléter la première colonne du tableau en indiquant les propriétés des bactériophages impliquées.
Conséquences en biotechnologies
Propriétés des bactériophages
La présence de bactériophage,
indique la présence de bactéries…
Les bactériophages provoquent, lors
de cycles de reproduction lytique qui
entraine la mort par lyse des
bactéries
Les bactériophages permettent de
transférer du matériel génétique
d’une bactérie à l’autre
Cas 1 : Les bactériophages sont des
virus. Les virus sont des parasites, la
présence de l’hôte est nécessaire
pour leur reproduction.
Si il y a des bactériophages dans un
milieu, il y a obligatoirement
présence de bactéries spécifiques
Cas2 Les bactériophages peuvent
contaminer des levains (industrie
fromagère).
Les bactériophages détruisent les
bactéries des levains.
Il n’y a pas assez de bactéries pour la
fermentation.
Cas 3 : Les bactériophages
permettent de classer les bactéries
selon leur lysotype Les
bactériophages ne lysent qu’une ou
(des) souche(s) bactérienne(s) qui
possèdent des récepteurs de surface
donnés. Les phages sont donc
spécifiques de souches bactériennes:
on peut donc classer les souches
bactériennes selon le type de
bactériophage capable de les lyser
(Lysotypie)
Cas : 4 Les bactériophages peuvent
lyser des bactéries pathogènes et
stopper une infection.
Cas 7 :Les phages sont responsables
de transduction restreinte et
généralisée. Ils peuvent donc
transférer des gènes synthétisant
des toxines peptidiques ou
protéiques d’une bactérie donneuse
à une bactérie receveuse.
La bactérie receveuse devient donc
plus pathogène
Cas 5 Les bactéries sont
responsables de transduction
restreinte et généralisée. Il est donc
possible de modifier génétiquement
une bactérie.
Avantage ou inconvénient pour les
biotechnologies
Avantage :
Environnement
Indicateur de contamination fécale
en contrôle microbiologique de l’eau
Inconvénients
Domaine : alimentaire,
type d’activité : bioproduction
Avantage
Domaine : tous
Type d’activité : classification et
identification de souche
Avantage
Médicale, pharmaceutique
Inconvénients
En médicale : création de nouvelles
propriétés telles que synthèse de
toxine
Avantage :
Application en biologie moléculaire :
création de bactéries génétiquement
modifiés
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