Bactériologie et hygiène PDF

Pr. Oswald Bactériologie - n°1 & 2 ZAHRAOUI Marwa 08/01 – 10h Ronéo n°1 ZAHRAOUI Safa BACTÉRIOLOGIE ET HYGIÈNE Pendant ce cours ont été introdu...

Pr. Oswald Bactériologie - n°1 & 2 ZAHRAOUI Marwa 08/01 – 10h Ronéo n°1 ZAHRAOUI Safa BACTÉRIOLOGIE ET HYGIÈNE Pendant ce cours ont été introduits la bactériologie et les fondamentaux sur les bactéries, à la fois en termes d’historique et de composition. Dans la suite des cours, on définira l’association de ces bactéries avec des maladies infectieuses et on évoquera les moyens de lutte (antibiotiques) contre ces bactéries et les moyens de prévention (vaccins, hygiène). C’est très similaire à ce que font les virus sauf que biologiquement, les virus ne sont pas des bactéries : « Les antibiotiques c’est pas automatique ». I. Étapes de la microbiologie La connaissance des maladies infectieuses a précédé celle des agents étiologiques (agents pathogènes), comme pour la variole ou la peste. Pendant longtemps, l’humanité a attribué ces maladies infectieuses à des générations spontanées ou à des causes divines, sans en comprendre l’origine. Toutefois, leur caractère transmissible, capable d’infecter et de se propager, était déjà évident. Des mesures telles que la quarantaine ont été instaurées bien avant l’identification des agents infectieux. Cependant, l’absence de connaissance sur l’agent infectieux rendait l’élaboration de stratégies pour le combattre plus difficile. 1) XVIIème siècle Ce n’est qu’au XIIème siècle qu’on a commencé à avoir les clés ou les outils pour essayer de comprendre l’origine des maladies infectieuses. Ce siècle est marqué par Galilée, le télescope et cette révolution scientifique, suivie de Copernic, qui a démontré que la Terre tourne autour du Soleil. Au même moment, on a découvert le microscope, permettant de voir l’infiniment petit. Cependant, observer ces éléments ne suffisait pas encore pour établir une relation de causalité. 2) XVIIIème siècle Ce n’est qu’un siècle plus tard qu’on a développé plusieurs approches, dont la vaccination. Le premier vaccin a été créé contre la variole, un virus, et ce, sans avoir isolé ni caractérisé le pathogène (virus ou bactérie). C’est grâce à l’observation de Jenner, qui avait remarqué que les personnes qui s’occupaient des vaches contractaient une maladie ressemblant à la variole étaient protégées contre celle-ci, qu’une stratégie de vaccination a pu être mise en place. 3) XIXème siècle : l’âge d’or de la microbiologie Ce n’est qu’à la fin de ce siècle qu’on a pu parler de bactériologie médicale, notamment grâce au français Louis Pasteur et à « la grande époque pasteurienne ». Ses travaux ont marqué cette période, avec des avancées telles que la compréhension des fermentations, la fin du dogme de la génération spontanée, la découverte de nouvelles espèces bactériennes, l’étude des maladies affectant le vin, le vinaigre et les vers à soie, ainsi que la mise au point de vaccins atténués (choléra, charbon, rage). Page 1 sur 16 C’est également à cette période qu’ont été introduites les notions d’asepsie par Lister et de lavage des mains par Semmelweis, des éléments fondamentaux pour prévenir les infections. 4) XIX-XXème siècle : naissance de l’immunologie Grâce à l’immunologie, qui permet de comprendre la réponse immunitaire et d’agir sur elle, ainsi qu’à la découverte des bactéries et des moyens de les combattre, il a été possible de développer une approche pour créer des vaccins. Il s’agit des premières victoires sur la maladie infectieuse. 5) XXème siècle : Découverte des antibactériens La vaccination, la mise en place de l’hygiène et l’introduction des antibiotiques ont permis de gagner environ 30 ans d’espérance de vie. En examinant l’évolution de l’espérance de vie à travers l’Histoire, on constate qu’un bond énorme a été réalisé au cours des derniers siècles grâce à la médecine, et notamment à notre capacité à traiter et prévenir les maladies infectieuses. Par exemple, en 1900, à New York, les maladies infectieuses étaient la principale cause de mortalité. Aujourd’hui, ce sont les infarctus et les cancers qui prédominent. Cette victoire de l’humanité, portée par la science et la médecine, face aux maladies infectieuses a conduit à croire qu’il serait possible de les éradiquer. Dans les années 1950, cet objectif semblait à portée de main. Cependant, notre époque, marquée par la pandémie de COVID-19 et la montée de l’antibiorésistance, nous rappelle que cette vision était illusoire. 6) XX-XXIème siècle Quoi qu’on fasse, nous serons toujours confrontés aux maladies infectieuses. L’une des raisons majeures est la résistance aux antibiotiques : certaines bactéries deviennent insensibles aux traitements disponibles sur le marché. En parallèle, de nouvelles maladies continuent d’émerger, comme la légionellose, la maladie de Lyme ou la COVID-19. La génétique bactérienne explique cette capacité d’adaptation et d’évolution des bactéries et des virus, rendant une coexistence inévitable entre ces micro-organismes (bactéries, virus, parasites) et nous. Notre savoir actuel nous permet de développer des moyens de lutte pour prévenir et contrôler ces pathologies, mais l’éradication reste difficile. Certaines maladies, comme la variole, ont pu être éradiquées grâce au fait qu’elles n’avaient qu’un seul réservoir. Cependant, ce n’est pas le cas pour la plupart des maladies, qui possèdent plusieurs réservoirs, notamment chez les animaux ou dans l’alimentation. Page 2 sur 16 C’est dans ce contexte qu’est née la notion de « One Health » (une seule santé), qui appelle à une vision globale pour mieux combattre ces pathologies. Pour conclure cette partie, ces éléments montrent que les microbes resteront un défi majeur dans 20, 30 ou même 40 ans. Il est possible qu’à l’avenir, les maladies infectieuses surpassent les cancers en termes de mortalité, car nous risquons de ne plus avoir les moyens de traiter efficacement certaines bactéries. II. Les bactéries 1) Rappels La bactérie est une cellule vivante procaryote qui peut vivre dans un milieu intra- ou extracellulaire, c’est-à-dire à l’intérieur ou à l’extérieur d’une cellule eucaryote ou procaryote. Contrairement aux virus, qui parasitent la machinerie cellulaire pour se reproduire, la bactérie possède son propre métabolisme. Elle est ainsi capable de transporter son matériel génétique, de survivre et de se multiplier pour assurer sa croissance. Les bactéries mesurent environ 1 micron et possèdent une paroi, élément clé à retenir, car cette structure influence les traitements antibiotiques que l’on peut utiliser contre elles. Contrairement aux cellules eucaryotes, elles n’ont pas de noyau, mais disposent d’un appareil nucléaire et se divisent de manière binaire par scissiparité. Elles ne possèdent pas d’organites intracellulaires mais réalisent une réplication chromosomique. À titre de comparaison, une bactérie est de la taille d’une mitochondrie (ancienne procaryote qui a colonisé les cellules eucaryotes pour permettre la respiration cellulaire). Par ME à balayage, on peut voir les bactéries comme Escherichia coli, présentes ici sur la pointe d’une aiguille. Cela montre à quel point nous sommes constamment entourés de bactéries invisibles à l’œil nu (par exemple sur nos téléphones). C’est pourquoi les gestes aseptiques sont essentiels pour éviter leur propagation. 2) Caractérisation des bactéries On trouve 2 formes classiques : cylindrique et arrondie et 1 forme plus rare : incurvée ou spiralée. Page 3 sur 16  Forme cylindrique Forme arrondie Forme incurvée ou spiralée Bacilles Coques Vibrions : forme incurvée Spirochètes : forme spiralée Ex : Listeria Ex : Staphylococcus aureus/ monocytogenes Staphylocoque doré Ex : Vibrio cholerea Ex : Treponem Escherichia Coli Streptocoques (Syphilis) Lactobacillus Tableau inspiré de la ronéo de l’année dernière III. Les bactéries dans la nature Leur domaine est très vaste, car elles sont présentes dans de nombreux environnements et ne se limitent pas aux pathologies humaines. On les retrouve dans le sol, l’air, l’eau, les aliments (d’où l’importance des procédés comme la pasteurisation et la stérilisation), les océans, sur les objets qui nous entourent, ainsi que chez les organismes vivants : dans le tube digestif, sur les muqueuses et à la surface de la peau. Ces bactéries qui vivent avec nous et peuvent même jouer un rôle bénéfique pour notre santé font partie du microbiote ou microbiome. Ils sont aussi impliqués dans la production de produits comme le fromage, le vin ou la bière. Je cite le prof : « Les micro-organismes, c’est fantastique ! » 1) Agents pathogènes et infection La notion de pathogénicité est très relative et ne peut être définie qu’en fonction de l’organisme qu’elle affecte. Une même bactérie ou un même micro-organisme peut être pathogène pour certains et inoffensif pour d’autres. À l’extrême, une personne immunodéprimée qui consomme un yaourt pourrait développer un sepsis causé par des lactobacilles. Se pose alors la question de savoir si ces bactéries sont des pathogènes. Il est important de comprendre que l’infection est le résultat de l’agression d’un organisme par un agent pathogène, mais elle est surtout liée à une défaillance de l’organisme à se défendre. En fonction des conditions de l’hôte (immunodéprimé, vacciné ou non), une même exposition peut entraîner une pathologie ou non. Un agent pathogène, ou agent infectieux, est un agent biologique responsable d’une maladie infectieuse. Ces agents peuvent être des virus, des bactéries, des parasites, les champignons. Plus récemment, le rôle pathogène des protéines de type prions a été décrit. Page 4 sur 16  2) Éléments de vocabulaire Les bactéries peuvent être responsables d’infections bactériennes chez les patients. Lorsqu’un patient présente une infection, une souche bactérienne est identifiée au site infectieux. Il est essentiel de nommer cette souche. En tant que futurs médecins, deux questions clés se poseront : Quelle est la bactérie en cause ? À quels antibiotiques est-elle résistante ? Pour illustrer cela, les pathologies associées à différentes bactéries sont présentées. Chaque bactérie est identifiée par un nom en latin, composé d’un nom de genre et d’un nom d’espèce. Par exemple : Nom de genre : Staphylococcus Nom d’espèce : aureus Ensemble, ils forment l’espèce Staphylococcus aureus, appelée en français « Staphylocoque doré ». Exemples de bactéries et de leurs noms français : (à retenir) Staphylococcus aureus : Staphylocoque doré Neisseria gonorrhoeae : Gonocoque Escherichia coli : Colibacille Streptococcus pneumoniae : Pneumocoque La connaissance des noms de ces bactéries va amener à une connaissance sur leur pathogénicité ainsi que sur les moyens de lutte, notamment l’utilisation des antibiotiques. Sur le plan taxonomique, une souche bactérienne appartient à une espèce. Cette espèce est classée dans un genre, les genres sont regroupés en familles, et plusieurs familles forment un ordre. Les noms de genre des bactéries sont souvent liés aux personnes qui les ont découvertes (par exemple, Pasteurella en l’honneur de Pasteur ou Shigella pour Shiga). Les noms d’espèce, quant à eux, évoquent la pathologie, la lésion et la localisation. Il est donc essentiel de savoir associer les espèces bactériennes aux pathologies qu’elles provoquent afin de proposer des traitements adaptés. 3) La culture des bactéries Il n’existe pas de conditions de culture « standard » permettant la croissance de toutes les espèces bactériennes. Depuis la fin du XIXᵉ siècle, lorsque l’on a commencé à mettre au point des méthodes pour cultiver les bactéries, différents milieux de culture ont été développés (bouillons, géloses, etc.) afin de s’adapter aux besoins spécifiques de chaque espèce. Les milieux de culture utilisés en laboratoire sont souvent complexes et enrichis en nutriments nécessaires à la croissance bactérienne. Cependant, il faut noter que nous ne savons toujours pas cultiver certaines bactéries. En laboratoire, deux principaux types de culture sont utilisés pour les bactéries : Milieu liquide (bouillon) : les bactéries se multiplient et se dispersent, rendant le bouillon trouble. Milieu solide (gélose, boîte de Pétri) : chaque bactérie se multiplie localement et forme un amas visible à l’œil nu appelé colonie (ce sont des millions de bactéries regroupées). Une seule colonie bactérienne représente environ 10⁷ cellules. Page 5 sur 16 Ces méthodes sont encore utilisées aujourd’hui, notamment pour réaliser des antibiogrammes, qui permettent de tester la sensibilité des bactéries aux antibiotiques. Sur cette image, on observe une bactérie cultivée sur une boîte de Pétri, formant un biofilm. Des disques imprégnés d’antibiotiques ont été placés sur le milieu solide. On constate que ces 2 antibiotiques n’ont aucun effet sur la bactérie. Ce procédé représente les systèmes employés pour identifier les résistances ou sensibilités des bactéries aux antibiotiques. a) Grands groupes bactériens selon le type de production d’énergie Il faut savoir que la croissance des bactéries dépend du type de production d’énergie, mais avant tout de leur tolérance ou non à l’oxygène. On distingue trois groupes : - Bactéries anaérobie strictes : elles ne survivent pas en présence d’oxygène. La majorité de ces bactéries se trouvent dans le tube digestif humain. Exemple : les bactéries responsables de la gangrène, comme Clostridium. - Bactéries aérobies strictes : elles nécessitent obligatoirement de l’oxygène pour survivre. Exemple : Pseudomonas. - Bactéries aéro-anaérobies facultatives : elles représentent la majorité des bactéries d’intérêt médicales. Elles sont hétérotrophes c’est-à-dire qu’elles dépendent de sources de carbone organique qu’elles obtiennent en dégradant des molécules issues de leur environnement. Adaptables et « futées », ces bactéries peuvent survivre aussi bien avec ou sans d’oxygène. Exemple : les Entérobactéries. b) Facteurs physico-chimiques Différents facteurs physico-chimiques influencent la culture des bactéries. Certaines bactéries, comme la majorité des bactéries pathogènes, ont une température optimale de croissance située entre 20°C et 40°C. Cependant, des bactéries telles que Listeria ou Yersinia, capables de se multiplier à basse température, peuvent être retrouvées dans les réfrigérateurs. Cela signifie que des bactéries pathogènes peuvent contaminer des aliments et continuer de se multiplier même à des températures de conservation. Pour conserver ces bactéries en laboratoire, on les congèle à -70°C. Il est important de noter que la congélation ne tue pas les bactéries, elle ne fait que les rendre inactives. En revanche, la température est un moyen utilisé pour se débarrasser des bactéries. La stérilisation par chaleur utilise des températures élevées : 120°C pour la chaleur humide et 180°C pour la chaleur sèche. Toutefois, cette méthode ne détruit pas les prions, qui résistent à la chaleur. Des techniques comme la pasteurisation et la tyndallisation (chauffage discontinu à basse température pour éliminer les formes végétatives et les spores résistantes) sont également couramment utilisées dans le domaine de la santé publique, notamment pour traiter les aliments, le lait et les conserves. Page 6 sur 16  4) Croissance bactérienne Les bactéries ne se multiplient pas toutes à la même vitesse, on parle de temps de génération : c’est le temps que met une bactérie pour se diviser en deux bactéries filles (intervalle de temps entre deux divisions successives). Il existe d’énormes différences entre les bactéries : - Escherichia coli (colibacille) se divise toutes les 40 à 60 minutes, et dans des conditions optimales elle peut se diviser en seulement 20 minutes. - En revanche, Mycobacterium tuberculosis, responsable de la tuberculose, met 15 heures (900 min) - Et Mycobacterium leprae (bacille de la lèpre) met 12 jours pour se diviser. Ces différences de temps de génération ont des conséquences médicales : par exemple, un laboratoire de biologie au CHU mettra environ 24 heures pour réaliser un antibiogramme sur Escherichia coli, mais il lui faudra plus de temps pour Mycobacterium tuberculosis. Cela explique pourquoi, en parallèle des techniques de culture traditionnelles, des techniques de biologie moléculaire ont été développées pour obtenir des résultats plus rapides. La croissance bactérienne varie selon les espèces, la composition du milieu de culture et la température. Les bactéries se divisent de manière clonale, c’est-à-dire qu'elles dupliquent leur génome pour produire des copies identiques. Cette division clonale est exponentielle : une seule bactérie se multiplie jusqu’à donner des millions de clones visibles sur une boîte de Pétri. Pour illustrer cette multiplication exponentielle, prenons l'exemple des nénuphars : les bactéries peuvent se répandre très rapidement jusqu’à envahir l’espace. Leur vitesse de croissance, la clonalité et la scissiparité, ainsi que les conditions de culture, font qu’une seule ou plusieurs bactéries peuvent rapidement contaminer l’ensemble de l’environnement et se multiplier de manière incontrôlable. Le temps de croissance correspond au nombre de divisions par unité de temps : E. coli : 1 à 2 divisions par heure B. tuberculeux : 1 division toutes les 15 heures Cette partie a été vite passée par le prof mais elle est importante donc je vous la mets : La croissance exponentielle d’une population bactérienne peut être modélisée par la formule suivante : 𝑡/τ 𝑁 = 𝑁0 × 2 N : nombre final de bactéries, N₀ : nombre initial de bactéries, t : temps de culture, τ : temps de génération Par exemple, si le temps de génération de E. coli est de 20 minutes, qu'on commence avec une seule bactérie, et qu’on a, en conditions appropriées, une croissance exponentielle pendant une nuit de 8 heures 8 ( 0,333 ) 24 7 alors on aura : 𝑁 = 1× 2 =2 = 1, 6 × 10 𝑐𝑒𝑙𝑙𝑢𝑙𝑒𝑠 (avec 20min/60 = 0,333 heures) Page 7 sur 16 Remarque : On obtient 24 générations en 8 heures alors que pour l’homme il faudrait 25 ans x 24 générations soit 600 ans !! Il est important de noter que nous ne sommes pas capables de cultiver toutes les bactéries : à ce jour, seulement 20 à 30 % du microbiote intestinal est cultivable. La majorité des bactéries survivent et se multiplient non seulement chez l'Homme, mais aussi sur divers supports, où elles forment ce que l'on appelle des biofilms. Ce sont des communautés de bactéries qui se développent à la surface de liquides ou sur des supports organiques et inorganiques. Ces bactéries adhèrent à la surface et forment des micro-colonies. Les biofilms posent un vrai problème dans le milieu médical, mais pas uniquement. En effet, ils constituent une forme de défense des bactéries contre les agressions extérieures, y compris les antibiotiques. La capacité des bactéries à créer ces structures impacte directement notre capacité à traiter les infections, qu'il s'agisse de matériaux contaminés ou de patients infectés. 5) Structure des bactéries La bactérie a une taille de quelques μm, un seul chromosome, une paroi rigide et une structure particulière, sans membrane nucléaire. Sa division se fait par scissiparité, elle réalise des synthèses autonomes et peut effectuer des recombinaisons génétiques. Les structures constantes (conservées) des bactéries comprennent l'appareil nucléaire, le cytoplasme, la machinerie cellulaire, la membrane bactérienne et la paroi bactérienne. Ces éléments sont les principales cibles des antibiotiques. En effet, lorsque les scientifiques ont cherché des antibiotiques capables d'agir sur les bactéries, ils ont ciblé des structures communes et spécifiques à ces dernières. La plupart des antibiotiques actuellement disponibles agissent sur l'inhibition de la synthèse des protéines, de l'ARN, de l'ADN ou sur la paroi bactérienne. Les antibiotiques à large spectre ont l’avantage de cibler des caractéristiques proches des bactéries sans nuire à l'hôte. Par exemple, en ciblant des structures communes aux procaryotes, on minimise les effets secondaires sur les cellules eucaryotes. Cela contraste avec les médicaments antiviraux ou antiparasitaires, qui souvent ont des cibles similaires à celles des cellules humaines, ce qui peut entraîner des effets indésirables. En revanche, l'inconvénient majeur des antibiotiques à large spectre est qu'ils peuvent affecter non seulement le pathogène, mais aussi les bactéries bénéfiques du microbiote. En ciblant des structures bactériennes communes, ces antibiotiques risquent d'induire des mutations et de favoriser l'émergence de résistances. Les structures inconstantes (qui varient selon les espèces ou au sein de la même espèce) sont la capsule, les flagelles, les pili, les spores, et l'ADN extra-chromosomique (plasmide). Page 8 sur 16  a) Paroi bactérienne La paroi bactérienne joue un rôle important que ce soit dans le diagnostic comme dans le choix du traitement antibiotique. Elle est responsable de la forme de la bactérie. Elle est constituée de différents éléments, dont le peptidoglycane, qui en constitue l'élément constant de base, commun à toutes les bactéries. Cette macromolécule forme un réseau tridimensionnel (de N-acétylglucosamine et acide N-acétylmuramique), agissant comme un squelette. Sa constitution est simple : des chaînes glucidiques reliées par des chaînes peptidiques, formant ainsi la structure fondamentale de la paroi bactérienne. Les bactéries se classent principalement en deux grands groupes : Gram+ et Gram-. Bactérie à GRAM + Bactérie à GRAM - Le peptidoglycane est le constituant majeur de la Le peptidoglycane est le constituant de base mais en paroi, formant une structure dense, solide, rigide, quantité moindre ce qui entraîne une membrane plus accompagné de constituants mineurs : fluide et moins rigide. antigéniques (recherche d’anticorps spécifiques) support d’une partie du pouvoir pathogène Il existe aussi une zone moins dense près de la utiles pour l’identification membrane appelée l’espace périplasmique. Elles n’ont qu’une seule membrane Elles présentent une membrane externe périphérique cytoplasmique. et une membrane cytoplasmique. Il y a donc une double membrane. Exemples : Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Elles ont la capacité de produire des LPS Bacillus anthracis, Streptococcus pyogenes, Listeria (lipopolysaccharides) qui contient le lipide A qui est monocytogenes, Clostridium tetani responsable d'une forte réponse inflammatoire chez l'hôte. b) La coloration de Gram Au XIXe siècle, Mr. Gram a mis au point un système de coloration permettant de différencier les bactéries Gram+ et Gram- : Page 9 sur 16  1. Fixation de la bactérie et ajout de crystal violet (premier colorant). 2. Traitement avec de l’iode pour fixer le colorant. 3. Décoloration, puis ajout d’un second colorant (safranine rose). Le résultat dépend de la structure de la membrane : Les bactéries Gram+ conservent le premier colorant (violet) grâce à leur paroi riche en peptidoglycane. Les bacétries Gram- se décolorent et prennent le second colorant (rose) en raison de leur faible quantité de peptidoglycane. Cette connaissance du type de paroi (gram + ou -) est importante pour déterminer quels antibiotiques sont efficaces, car les structures influencent la sensibilité aux molécules. Il existe d’autres types de parois bactériennes sur lesquelles on ne peut appliquer la coloration GRAM : - Les mycobactéries : Ce sont des bactéries responsables de maladies comme la tuberculose. Elles possèdent une paroi imperméable en raison de la présence de lipides spécifiques appelés acides mycoliques. Cette particularité rend la coloration Gram inefficace, nécessitant l’utilisation d’autres techniques de coloration (que nous verrons dans un autre cours). Leur membrane particulière modifie également leur interaction avec le système immunitaire de l’hôte, rendant ces bactéries plus résistantes et difficiles à éliminer. - Les bactéries sans paroi (mollicutes) donc sans peptidoglycane. Cette absence les rend naturellement résistantes à des antibiotiques comme la pénicilline qui cible spécifiquement cette structure. IV. Génétique bactérienne Les bactéries, bien qu'elles n'aient pas de noyau, possèdent un génome constitué le plus souvent d’une molécule d’ADN circulaire double brin (c’est donc plus simple que les virus où le matériel génétique est présent sous forme d’ADN, ARN etc..). Cet ADN contient les gènes nécessaires à leur multiplication et à leur pouvoir pathogène. Souvent, il y a de l’ADN surajouté à ce chromosome bactérien : il s’agit des plasmides. Les plasmides sont des petits chromosomes qui ont la capacité de passer d’une bactérie à l’autre et donc de transmettre du matériel génétique. Les bactéries peuvent aussi interagir avec des bactériophages, des virus spécifiques des bactéries. Ces derniers, utilisés dans des traitements, jouent également un rôle dans le transfert d’information génétique entre bactéries. Les bactéries se divisent par scissiparité, après la réplication semi-conservative de leur ADN (chaque brin sert de matrice pour la synthèse de son brin complémentaire). Cela permet à chaque cellule fille d’hériter d’un génome identique à celui de la cellule mère. Grâce à cette méthode de multiplication rapide, une seule Page 10 sur 16 bactérie peut donner naissance à des milliards de clones en peu de temps. Une autre particularité des bactéries est leur capacité à modifier leur génome. 1) Les modifications du génome a) Par mutation (agent sélecteur) Si les bactéries sont exposées à un agent mutagène, comme les UV, des mutations peuvent survenir. Même sans agent externe, la réplication de l’ADN n’est jamais totalement parfaite, que ce soit chez les cellules eucaryotes ou procaryotes, et des erreurs peuvent apparaître. Chez les bactéries, ces mutations ont des conséquences importantes, car elles se reproduisent en colonies clonales, où chaque individu partage le même génome. Bien que leur taux de mutation soit extrêmement faible (de l’ordre de 10⁻⁶ à 10⁻⁸ par division), compte tenu du grand nombre d’individus dans une population bactérienne – souvent de l’ordre du milliard – on peut faire le pari qu’au moins une bactérie portera la mutation. Ces mutations sont spécifiques à un caractère donné et indépendantes, donc la probabilité d’avoir deux mutations est encore plus faible (si la probabilité de l’agent mutant a est de 10⁻7 et celle de l’agent b 10⁻8, alors la probabilité d’apparition de ab : 10⁻¹⁵). Malgré tout, leur incroyable vitesse et capacité de multiplication font que cela peut arriver. En pratique, cela signifie que dans toute culture bactérienne, il y aura toujours au moins une bactérie résistante à un antibiotique, avant même l’exposition à celui-ci. Ce phénomène explique en partie la difficulté de lutter contre les bactéries résistantes. L’expérience suivante illustre ce phénomène : On cultive une bactérie sensible à un antibiotique, ici la streptomycine, dans un bouillon sans antibiotique. Ensuite, on étale cette culture sur des boîtes de Pétri sans streptomycine, ce qui permet d’obtenir une population clonale, composée de milliards de bactéries partageant le même génome. Par la suite, une colonie isolée de cette boîte est ensemencée dans un nouveau bouillon, toujours sans streptomycine, puis étalée sur un milieu contenant cette fois-ci l’antibiotique. Résultat : une colonie constituée de mutants résistants à la streptomycine apparaît. Cette résistance s’explique par une mutation unique au niveau de l’ARN ribosomal 16S, nécessaire pour échapper à l’action de la streptomycine. (pas dit par le prof mais la streptomycine agit en se liant au niveau de l’ARN ribosomal 16S, ce qui engendre des erreurs dans la traduction de l’ARNm et donc inhibe la synthèse protéique nécessaire à la survie de la bactérie). Cette mutation, bien que rare, est suffisante pour permettre à une bactérie de survivre et de se développer dans un milieu contenant l’antibiotique. Page 11 sur 16 Une fois apparue, une mutation est stable et transmise aux bactéries filles lors des divisions cellulaires. Cela crée une pression de sélection, où les bactéries mutantes résistantes survivent et se multiplient. Ce phénomène est commun à tous les organismes, mais chez les bactéries, il est amplifié par leur capacité de multiplication rapide et leur nombre élevé. L’expérience de Lederberg et Lederberg a cherché à démontrer que ce n’est pas l’antibiotique qui provoque les mutations, mais qu’il sélectionne les bactéries déjà mutantes. Voici le protocole : une culture bactérienne est étalée sur une boîte de Pétri sans antibiotique, permettant de former des colonies. Un buvard est utilisé pour créer une réplique de cette boîte sur un milieu contenant un antibiotique. On observe alors que, comme vu avant, par milliard de bactéries, il y en aura forcément une avec une mutation au niveau de l’ARN 16S et qui va donc résister. On revient à la boîte originale sans antibiotique et on identifie la colonie qui a la mutation (que l’on connaît grâce à la copie faite sur le milieu avec antibiotique) et on l’utilise pour réensemencer le tube. Cette partie de la boîte bleue (carré dans la boîte du milieu, 1ère ligne), n’a jamais vu l’Ab !! (car c’est le cercle en orange, à droite, la copie, qui avait l’Ab). On réétale et on fait aussi le miroir. On obtient cette fois-ci plus de colonies (2ème ligne), car on a enrichi la culture avec la colonie qui contenait le mutant. On refait plusieurs fois et on arrive finalement avec une culture enrichie avec cette mutation. Cela montre donc bien que c’est l’antibiotique qui sélectionne mais c’est pas lui qui crée la mutation. En conséquence, dès les années 1950, la streptomycine a cessé d’être efficace en monothérapie contre la tuberculose en raison de la sélection de mutants résistants. Quel que soit l’antibiotique utilisé, ou le bactériophage, les bactéries, grâce à leur immense nombre, développent toujours des mutations favorables à leur survie. Ce mécanisme d’adaptation est également observé chez les virus, comme le SARS-CoV-2, qui évoluent avec le temps et peuvent devenir insensibles à certains traitements. Ce phénomène est lié à la clonalité des bactéries : lorsqu’une mutation bénéfique apparaît, elle se propage rapidement à l’ensemble de la population clonale. Page 12 sur 16  b) Par acquisition de blocs d’ADN (îlots de pathogénicité, plasmides, bactériophages) Il existe un autre élément, beaucoup plus rapide que le phénomène d’acquisition de mutations, aussi fondamental dans la capacité des bactéries à évoluer et à résister aux antibiotiques et aussi à devenir plus virulent. On a représenté de façon schématique le génome circulaire de quatre souches d’E coli responsables de pathologies variées par quatre cercles concentriques. La zone grise (la circonférence épaisse des cercles) correspond aux éléments conservés entre les chromosomes de ces souches, tandis que les zones colorées (pics sortant des cercles) représentent les régions variables entre les différents chromosomes. En zoomant sur ces zones colorées, donc non conservées sur l’ensemble des souches d’E. coli, on observe un changement dans la composition en G+C, indiquant que l'ADN de ces régions est différent de celui de l' E. coli classique. Ces nouvelles structures témoignent de l'acquisition d'ADN étranger au cours de l'évolution de la bactérie, qui leur confèrent des capacités génétiques supplémentaires. Cette plasticité du génome des bactéries, comme des virus, nous explique que l’évolution fera qu’on aura toujours une bactérie résistante aux antibiotiques ou un virus qui ne va pas répondre à un traitement viral. Sur les 4700 gènes moyens qu’on trouve dans une souche d’E coli, un peu moins de 2000 gènes sont communs à toutes ses souches. Cela signifie que 60% du génome de ces bactéries sont variables, c’est pourquoi on parle davantage de « pangénome » plutôt que de « génome commun » pour décrire la diversité des gènes présents dans leurs chromosomes (le pangénome d' E. coli étant d’environ 10 000 gènes). Cette diversité explique leur énorme capacité d’adaptation. Par comparaison, tous les « mâles » dans l’amphi sont 99,9% identiques en terme génétique avec les gorilles, tandis que pour les bactéries, seulement 40% du génome est identique entre deux souches d’une même espèce. Cette plasticité bactérienne s’explique par 3 grands mécanismes : - Phénomène de réduction par délétion du génome - Mutations / réarrangements - Acquisition par transfert horizontal de matériel génétique (îlots de pathogénicité, des plasmides ou des bactériophages) Ainsi, les transferts génétiques participent fortement à l’évolution du monde bactérien et s’ont définit par : – Transfert unidirectionnel de matériel génétique (ADN) d’une bactérie à une autre bactérie (de même espèce ou d’espèce différente) – Transfert d’une bactérie donatrice à une bactérie réceptrice – Transfert d’une partie du matériel génétique Les transferts génétiques utilisent trois mécanismes : la transformation, la conjugaison et la transduction, que l’on va détailler : Page 13 sur 16 La Transformation correspond au transfert de fragment d ’ADN libre de bactérie donatrice à bactérie réceptrice : C’est un mécanisme très ancien découvert en 1928 par Griffith, avant même de connaître la nature de l’ADN, grâce à des travaux réalisés sur Streptococcus pneumoniae. Il s’est servi de 2 colonies : la souche S1 et la souche R2. Les colonies S1 sont capsulées, ce qui leur conférent une résistance à l’hôte, elles sont alors virulentes et pathogènes. Les colonies R2, dépourvus des gènes pour produire la capsule, sont non virulentes et non pathogènes. Griffith a montré que : 1ère : Si on injecte la souche S1, pathogène, à des souris, elles meurent. 2ème : Si par contre on tue préalablement la souche S1 par la chaleur et qu’on injecte les particules mortes à des souris : elles survivent. 3ème : Si on injecte la souche R2, non pathogène, aux souris : elles survivent, car la capsule est essentielle à leur virulence. 4ème : Cependant, en mélangeant la souche S1 tués par la chaleur avec la souche R2, les souris meurent. En récupérant les bactéries après injection, les chercheurs ont trouvé des streptocoques R2 ayant acquis les gènes de la capsule des S1. Cela prouve que les bactéries peuvent intégrer l’ADN de bactéries mortes, adoptant ainsi de nouvelles propriétés. Ce mécanisme a des conséquences majeures : si une souche pathogène est tuée par un antibiotique en présence d’une souche non pathogène mais résistante, cette dernière pourrait intégrer l’ADN pathogène et devenir à la fois résistante et virulente. La transformation est donc un moyen crucial pour les bactéries d'acquérir des fonctions de survie. Page 14 sur 16 La Conjugaison est un mécanisme clé dans la propagation de la résistance aux antibiotiques. En plus de leur chromosome principal, les bactéries possèdent des plasmides, sortes de "mini-chromosomes". Certains plasmides peuvent produire un pilus, comme un appendice qui se connecte à une autre bactérie pour transférer une copie de leur ADN. Ce processus fonctionne non seulement entre bactéries de la même espèce, mais aussi entre espèces différentes mais proches, permettant une acquisition rapide de matériel génétique. C’est donc le transfert entre deux bactéries ayant une différenciation sexuelle de plasmides par exemple (écrit sur le diapo : il y a transfert entre des bactéries femelles F- et des bactéries mâles F+). Le plus gros problème actuel de l’antibiorésistance réside dans les voyages: si tu vas aux States et qu’il existe là-bas un plasmide résistant aux antibiotiques, tu vas la ramener dans ton tube digestif (même sans être malade), puis il y aura transmission de ce plasmide et donc développement de cette résistance. Donc la lutte contre l’antibiorésistance ne peut être qu’une vision mondiale (« One Health »). La Transduction est un mécanisme de transfert génétique par l’intermédiaire d’un bactériophage, le virus des bactéries. Ces phages ont deux cycles de vie : le cycle lytique : « j’infecte, je me multiplie et je tue la cellule » et la conversion lysogénique, où ils intègrent leur génome dans celui de la bactérie (on le caractérise alors de phage dormant). Ce mode lysogénique, plus durable, permet parfois aux phages de transmettre de nouveaux gènes à la bactérie, leur conférant des caractéristiques supplémentaires. En cas de stress, comme lors de l’introduction d’antibiotiques, les phages peuvent s’activer, passer en cycle lytique et détruire la bactérie. Les phages servent aussi en biothérapie en se disant qu’un jour, si on a une bactérie résistante à tous les antibiotiques, on va utiliser un phage pour tuer cette bactérie (guerre biologique). Mais comme pour les Page 15 sur 16 antibiotiques, il y a une notion d’évolution et les bactéries peuvent aussi devenir résistantes à ces bactériophages. Il faut garder en tête que malgré les transferts horizontaux, la présence d’un gène n’implique pas forcément son expression. Il y a tout un système de contrôle important, qui ne sont pas des mutations mais des variations phénotypiques, font que la bactérie va plus ou moins exprimer tel facteur de virulence ou tel facteur de résistance. Les points clés du cours sont : - Les bactéries sont haploïdes. C’est un avantage certain quand on sait que la plupart des mutations sont récessives et donc avec un effet immédiat : si la mutation a un effet bénéfique, elle est de suite transmise à la descendance. - Le temps de génération peut être extrêmement rapide dans des conditions optimales de croissance chez certaines bactéries ( 20 minutes pour E.Coli) - La bactérie se multiplie par scissiparité, il n’y a pas de reproduction sexuelle. Ceci implique que les cellules filles sont génétiquement identiques entre elles, ce sont donc des clones. - Les échanges génétiques s’effectuent par transferts horizontaux (transformation, conjugaison, transduction). La transmission d’information génétique peut se faire de façon verticale ou horizontale : - verticale : mutation spontanée, induite, la transposition...La fréquence de mutation sur 1 nucléotide chez E. coli est de l’ordre de 10-9 (taille du génome de l’ordre de 106 pb), il faut donc 103 cellules pour observer une erreur aléatoire dans un génome...alors dans une colonie...? - horizontale : unidirectionnelle et passe souvent par la recombinaison homologue. Les trois moyens d’échange génétique pratiqués par les procaryotes (transformation, conjugaison et transduction) font appel à la recombinaison homologue. La recombinaison homologue chez les eucaryotes se manifeste principalement au cours d’une division particulière, la méiose. Chez les bactéries, celle-ci peut avoir lieu tout le long du cycle cellulaire. Page 16 sur 16