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Les bactéries I. Introduction À quel règne appartiennent les bactéries ? Que cela signifie-t-il ? Quel est l’ordre de grandeur d’une bactérie ? Nous avons vu dans le chapitre précédent que la cellule procaryote est beaucoup plus simple que la cellule eucaryot...

Les bactéries I. Introduction À quel règne appartiennent les bactéries ? Que cela signifie-t-il ? Quel est l’ordre de grandeur d’une bactérie ? Nous avons vu dans le chapitre précédent que la cellule procaryote est beaucoup plus simple que la cellule eucaryote. Dans une cellule procaryote, l’ADN ne se trouve pas dans un noyau séparé du cytosol par une enveloppe membraneuse. En outre, ce type de cellule est dépourvu des organites membraneux caractéristiques de la cellule eucaryote. Les organismes procaryotes sont presque tous unicellulaires. Toutefois, les cellules de certaines espèces restent jointes après la division cellulaire. Le diamètre des cellules procaryotes varie entre 0,5 et 5 μm, ce qui est beaucoup plus petit que le diamètre de 10 à 100 μm de nombreuses cellules eucaryotes. Même s’ils sont unicellulaires et microscopiques, les procaryotes sont bien organisés et remplissent toutes les fonctions vitales d’un organisme, et ce dans une seule cellule. II. Les formes les plus courantes de Procaryotes - Les cocci (coccus au singulier), ou Procaryotes sphériques, vivent seuls, deux par deux (diplocoques), en chaînes de plusieurs cellules (streptocoques) ou en amas semblables à des grappes de raisin (staphylocoques).  - Les bacilles, dont la forme rappelle un bâtonnet, vivent le plus souvent seuls, mais ils peuvent aussi s’organiser en chaînes (streptobacilles). - Les Procaryotes de forme hélicoïdale comprennent les spirilles, qui peuvent prendre la forme d’une virgule ou d’un long filament, et les Spirochètes (illustrés ici), en forme de tire- bouchon (MEB, clichés colorés artificiellement). Observation des bactéries au microscope : - Microscope optique (x 1000 à 1500): Observer la morphologie, les groupements, la coloration Gram - Microscope electronique (x  10 000) Observer la structure fine des bactéries III. La place des bactéries dans le monde des vivants IV. La structure des bactéries Titre : Ultrastructure bactérienne 1 : Pili sexuels 2 : mésosome (invagination de la MP, rôle encore incertain, semble être impliqué dans la pathogénicité bactérienne). 3 : Flagelle 4 : membrane plasmique 5 : ribosomes 6 : inclusion de réserves (ou vacuole)  7 : hyaloplasme 8 : plasmide 9 : capsule 10 : pili communs 11 : paroi 12 : chromosome bactérien ou nucléoïde A. Les structures externes a. La membrane cytoplasmique Structure en bicouche phospholipidique comme toutes les membranes cellulaires, elle sert de barrière chimique entre l’environnement extérieur et le cytoplasme de la bactérie. Elle est donc le siège d’échange avec cet environnement (ex : entrée du glucose, sortie des déchets). Etant donné que la bactérie est dépourvue de mitochondrie, cette membrane contient de nombreuses enzymes assurant les synthèses, et fournissant l'énergie nécessaire au métabolisme bactérien. b. La paroi C’est une barrière rigide présente chez presque toutes les bactéries.  Elle joue un rôle de protection mécanique vis-à-vis de l’extérieur.  C’est elle qui donne sa forme à la bactérie.  c’est aussi sa composition qui est à l’origine des différentes réactions à la coloration de GRAM (beaucoup moins développées chez GRAM+) La plupart des parois bactériennes contiennent une substance particulière appelée peptidoglycane, un polymère composé de monosaccharides modifiés qui sont reliés transversalement par de courts polypeptides. À l’aide d’une technique appelée coloration de Gram, mise au point au 19e siècle par un physicien danois du nom de Hans Christian Gram, les scientifiques distinguent deux catégories de Bactéries d’après l’une des caractéristiques de leur paroi cellulaire. Titre : Les 2 types de paroi bactérienne. Paroi de type A : Gram positif, épaisse et dense. Paroi de type B : Gram négatif, fine et lâche. 1 : Couche de peptidoglycanes 2 : espace périplasmique 3 : membrane plasmique 4 : acide lipotéichoique 5 : acide téichoique 6 : antigène O 7 : porine 8 : lipoprotéine de Braun 9 : LPS (lipolysaccharides) 10 : membrane externe.  Les Bactéries à Gram positif possèdent une paroi simple qui contient une quantité relativement importante de peptidoglycane.  Les Bactéries à Gram négatif contiennent moins de peptidoglycane et présentent une structure plus complexe, qui comprend une membrane externe composée de lipopolysaccharides, glucides liés à des lipides. La coloration de Gram est utile en médecine pour déterminer rapidement si l’infection dont souffre un patient est causée par une bactérie à Gram négatif ou à Gram positif, ce qui influera sur le traitement à administrer. Les portions lipidiques des lipopolysaccharides contenus dans les parois de nombreuses bactéries à Gram négatif sont souvent toxiques et provoquent la fièvre ou un état de choc. De plus, la membrane externe protège les bactéries à Gram négatif des défenses de leur hôte. Par ailleurs, les bactéries à Gram négatif opposent souvent plus de résistance aux antibiotiques que les espèces à Gram positif, car leur membrane externe entrave la pénétration de ces médicaments. La coloration Gram c. La capsule La paroi cellulaire de bon nombre de Procaryotes est recouverte d’une couche gluante de polysaccharides ou de protéines appelée capsule. C’est une structure dense, elle contribue à la pathogénicité en rendant plus difficile la destruction de la bactérie par le système immunitaire. Elle confère également une résistance à la dessiccation.  Cette photographie présente des bactéries avec une capsule après coloration négative à l’encre de chine. Cette coloration met en évidence la capsule. L’encre de chine est en fait un colorant négatif, c’est-à-dire qu’il ne colore pas la capsule, mais les bactéries en possédant apparaissent entourées d’un halo lumineux. d. Le biofilm Désigne les composants liés à la membrane externe chez les bactéries à Gram négatif, et ceux liés aux couches de peptidogycanes chez les bactéries à Gram positif. Ce terme désigne donc à la fois les polysaccharides de surface et les glycoprotéines. Lorsque la bactérie en produit abondamment, cela crée une substance gluante à sa surface. Dans ce cas, on parle de « slime ». Cette structure joue un rôle essentiel dans l’adhésion des bactéries à des substances étrangères. Par exemple, la production de slime est fréquente chez les bactéries aquatiques conduisant à la formation de masses gluantes auxquelles adhèrent des matières en suspension. Certaines slimes bactériennes sont produites industriellement, et servent d'agent gélifiant dans les industries alimentaires. Le biofilm protège les bactéries : - De la dessiccation - des antiseptiques - Des cellules immunitaires - des désinfectants - - des anticorps - des antibiotiques Propriétés d’adhésion : - attachement des bactéries entre elles - Attachement entre bactéries et corps étrangers (biomatériaux, cathéters, les prothèses) - Attachement entre bactéries et surfaces cellulaires (respiratoires : facteur de colonisation, - Attachement entre bactéries et valves cardiaques : végétations et endocardites - Attachement entre bactéries et émail dentaire : la plaque dentaire puis carie, e. La motilité des bactéries : La moitié des procaryotes sont capables de se déplacer de façon orientée. Divers types de structures leur permettent de se déplacer. Les plus courantes sont de fins flagelles qui spont soit dispersés sur toute la surface soit concentrés à un pôle ou aux deux pôles. f. Les pili et les fimbriae Appendices de surface plus courts et plus fins que les flagelles, que l’on retrouve chez les bactéries à Gram négatif (exceptionnellement chez les bactéries à Gram positif). Il s’agit de structures protéiques filamenteuses. Les pili ne participent pas à la motilité. Les pili communs : Ils sont courts et disposés régulièrement à la surface des bactéries. Ils sont essentiellement constitués de deux protéines : la piline et l’adhésine. Ils jouent un rôle dans le pouvoir pathogène de la bactérie en permettant une bonne adhésion des bactéries aux muqueuses. - Les pili sexuels, plus longs, relient deux bactéries et sont voies d'échanges de matériel génétique entre les bactéries par conjugaison. Les bactéries capables de produire des pili sexuels grâce à la présence du facteur F sont dénommées bactéries « mâles » ou « F+ », à l'opposé des autres qui sont dites « femelles » ou « F- ». B. Les structures internes Structure interne des bactéries est plus simple que celle des cellules eucaryotes. a. Le hyaloplasme Le hyaloplasme contient essentiellement les ribosomes qui sont différents de ceux des eucaryotes. Ils sont en étroit contact avec le matériel nucléaire. Il est t également riche en ARN messager, ARN de transfert, en enzymes et en électrolytes. Enfin, on y trouve des inclusions: des inclusions de composés organiques (glycogène par exemple), de substances minérales (phosphates, par exemple), ou de métaux (soufre ou fer, par exemple), des carboxysomes (réserves de CO2, présentes chez certaines bactéries. Le cytosol des procaryotes ne possède ni compartiments membranaires internes, ni cytosquelette, ni organites. Certains procaryotes présentent une membrane plasmique fortement invaginée dont les replis se déploient dans le cytosol. Chez les eucaryotes, les enzymes nécessaires à la respiration cellulaire et à la photosynthèse sont réunis dans des organites spécialisés: les mitochondries et les chloroplastes. b. Le matériel génétique Les bactéries possèdent un appareil nucléaire constitué d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui est le support de l'information génétique. Il est localisé dans une zone du cytoplasme appelée: le nucléoïde. L'ADN chromosomique est constitué d'une double hélice d'ADN circulaire Les plasmides La bactérie peut contenir des éléments génétiques (ADN) de petite taille, extra-chromosomiques. Ces éléments, appelés plasmides, ne sont pas indispensables à la vie de la bactérie dans les conditions habituelles de croissance. Le plasmide confère à la bactérie qui les possède des caractéristiques spécifiques. On retrouve plusieurs types de plasmides qui diffèrent par leur caractéristique : - Les plasmides de résistance, également appelés facteurs R, qui portent des gènes codant pour des résistances aux antibiotiques et aux métaux lourds. - Les plasmides métaboliques qui portent des gènes permettant l'utilisation de certains nutriments. - Les plasmides de virulence qui portent des gènes codant des facteurs de virulence, ayant un rôle dans le pouvoir pathogène des bactéries. - Les plasmides de conjugaison, également appelés facteurs F, qui portent des gènes codant pour les constituants des pili sexuels. L’information génétique des plasmides représente 1 à 5% de l’information de l’ADN chromosomique. Les plasmides se répliquent indépendamment du chromosome principal et peuvent passer d’une cellule à l’autre par conjugaison (transfert de gènes horizontal). Le plasmide F (l’épisome F) : L'épisome F : Le plasmide F est circulaire double brin, fait 94,5 kb et se trouve à 1 copie par cellule. Il ne porte pas de gène de résistance ou autre mais il code pour de nombreux gènes impliqués dans la formation de contacts entre cellules et du transfert du plasmide pendant la "conjugaison". En effet, on appelle F+ les souches qui portent le plasmide F et F- celles qui ne le portent pas. Les souches F+ ont de long "poils" sexuels qui permettent d'établir des ponts cytoplasmiques avec des souches F-. Après établissement du contact entre une cellule F+ et une cellule F-, le plasmide F est transféré de la souche F+ vers la souche F- aboutissant à sa transformation en souche F+. On appelle ce processus conjugaison ou abusivement cycle parasexuel (les F+ sont alors appelées mâles et les F- femelles). la conjugaison, transfert horizontal de matériel génétique. Les bactéries possédant un facteur F sont capables de transmettre du matériel génétique grâce à leurs pili sexuels. c. Les spores Certains procaryotes forment des endospores résistantes à la dessiccation, à la chaleur, aux radiations, aux antibiotiques, aux antiseptiques…qui peuvent rester en dormance pendant des années si les conditions sont défavorables. La cellule fait une copie de son ADN et l’entoure d’une structure multicouche très résistante. L’endospore se déshydrate et son métabolisme s’arrête. Le reste de la cellule se désintègre. Les spores constituent donc une forme de résistance des bactéries. En effet, elles sont résistantes au vieillissement, à la chaleur et au froid (y compris la congélation), aux ultraviolets et aux rayons X, à la dessiccation, et aux agents chimiques. Les étapes de la sporulation : Titre : La sporulation (en conditions défavorables) et la germination. 1 : Formation d’un septum asymétrique afin d’isoler le nouvel ADN venant d’être répliqué. 2 : Formation de la membrane plasmique de la spore 3 : maturation 4 : formation de l’enveloppe sporale (cortex + tuniques) 5 : spore 6 : libération de la spore par lyse bactérienne 7 : nucléoïde bactérien (répliqué et condensé) 8 : membrane plasmique 9 : paroi bactérienne 10 : hyaloplasme bactérien 11 : formation de l’enveloppe sporale 12 : germination (si les conditions sont de nouveau favorables). V. La multiplication des bactéries Les Procaryotes se reproduisent rapidement dans un milieu favorable par scissiparité, ou fission binaire. De nombreux Procaryotes ont un temps de génération de l’ordre de 1 à 3 heures, mais certaines espèces peuvent se diviser en 20 minutes à peine. Dans un milieu de culture, la reproduction des Procaryotes est limitée, parce que la colonie finit par épuiser les nutriments, parce qu’elle s’empoisonne elle-même avec ses déchets métaboliques, parce qu’elle rivalise avec d’autres microorganismes ou parce qu’elle est consommée par d’autres organismes. VI. Le besoin en oxygène On distingue selon les exigences des bactéries en oxygène : VII. La croissance bactérienne 1) Le milieu de culture Le milieu de culture est une préparation qui doit apporter à la bactérie un mélange équilibré de tous les nutriments nécessaires, à des concentrations qui permettent une croissance optimale, c’est-à- dire à des concentrations ni trop faibles, pour éviter l’épuisement, ni trop fortes, pour éviter la toxicité. Les milieux de culture sont très variés. Ils différent par leur consistance : - milieu liquide (ou bouillon). - milieu solide (par exemple, l’agar-gar).  - Milieu liquides qu’on appelle bouillons de culture, dans ce milieu, les micro-organismes se développent sous forme d’un trouble ou d’un voile en suspension. - Milieu solide : Si on rajoute de l’agar-agar, on obtient des milieux solides. il s’agit d’un polygalactoside sulfaté isolé des algues et présentant la propriété de former avec l’eau un gel solide à une température inférieure à environ 60 °C tout en étant liquéfiable par ébullition. Etant donné que très peu de micro-organismes sont capables d’hydrolyser l’agar-agar, il s’agit donc d’ingrédient le plus utilisé pour fabriquer des milieux solides. Les milieux solides destinés à être coulés en boîte de Pétri ou en tube ont une teneur en gélose assez élevée : 15 g.L-1. - Milieu semi-solide ou milieu peu gélosé, il présente une consistance intermédiaire, la teneur en gélose est comprise entre 3 et 5 g.L-1. La figure ci-dessous montre trois aspects possibles des colonies bactériennes obtenues en cas de culture en milieu solide. Il s’agit d’un critère macroscopique morphologique utilisé en cas d’identification bactérienne (voir labo). Ils différents également par leur composition : - milieu minimum : Il contient uniquement les composés indispensables sous la forme la plus simple et la plus facilement assimilable par la bactérie. - milieu enrichi (ou complet) : Il contient de nombreux composés, pas forcément indispensables. - milieu synthétique : Il contient des constituants dont on connaît parfaitement la nature et la quantité. Enfin, ils diffèrent par leur utilisation : - Milieu sélectif (ou électif) : Un milieu de culture est rendu sélectif pour une espèce microbienne lorsque sont seules satisfaites les exigences nutritives et les conditions de développement particulières à cette espèce. Ces milieux inhibent la croissance de la majorité des micro-organismes et stimulent celles des bactéries qu’on cherche à isoler. On fait intervenir un pH acide, une concentration de sel élevée. - milieu d’identification. - milieu de conservation. 2) Mesure de la croissance des bactéries On peut estimer la croissance bactérienne par dilutions décimales successives de la culture liquide. Pour cela, on effectue des dilutions de 1/10e dans les tubes successifs ; chaque dilution donnant lieu à des cultures sur milieu solide. Lorsque le nombre de colonies est assez faible pour permettre le comptage, on les dénombre, et on rapporte ce nombre facteur de dilution pour calculer le nombre de bactéries dans l’échantillon initial. Le calcul se fait comme suit : (dilution 1/10000, 125 colonies obtenues) : 125 x 10000= 1,25 million bactérie par ml. 3) La cinétique de la croissance bactérienne Il s’agit de la Cinétique de la croissance bactérienne d’une culture asynchrone en milieu non renouvelé. - La phase de latence (1) : la croissance est nulle, il y a accoutumance ou adaptation des bactéries à leur environnement, et la population bactérienne reste constante. - La phase d’accélération (2) : Il y a augmentation de la vitesse de croissance. Les bactéries s’étant adaptées à leur milieu de culture, elles entrent en division, et le nombre de bactéries augmente. - La phase de croissance exponentielle (3) : Le taux de croissance est maximal. Toutes les bactéries sont en division, et leur nombre augmente de manière exponentielle. - La phase de ralentissement (4) : La vitesse de croissance diminue, il y a épuisement des nutriments du milieu, et accumulation des déchets métaboliques. Certaines bactéries meurent. - La phase stationnaire (5) : il y a un arrêt de la reproduction due à un facteur limitant dans l’environnement. Le taux de croissance est nul, et le taux de division égale le taux de mort cellulaire. - La phase de déclin ou de létalité (6) : les ressources sont épuisées, et le nombre de bactéries diminue par mort cellulaire. Si la culture était effectuée en milieu renouvelé régulièrement par ajout de nutriments et élimination des déchets métaboliques alors la croissance bactérienne serait exponentielle et continue. C’est-à-dire qu’on n’observerait pas les phases de ralentissement, stationnaire et de déclin. Et si la culture est synchrone ? Une culture synchrone de bactéries comporte des cellules se divisant toutes en même temps. La cinétique de la croissance bactérienne dans ces conditions montre le même profil que celle d’une culture asynchrone, mais la croissance exponentielle s’effectue par palier. Chaque palier correspond à une vague de division. 4) La croissance bactérienne diauxique. Le milieu contient un mélange de deux substances nutritives différentes. En général, la bactérie utilise une des deux substances de manière préférentielle, celle qu’elles peuvent utiliser le plus rapidement. Une fois ce premier nutriment épuisé, elle puise dans le deuxième. La cinétique de cette croissance est présentée schématiquement : 5) Qualificatif attribué à la bactérie selon les conditions physicochimique du milieu de culture: VIII. La relation entre l’hôte et la bactérie : La pathogénicité d’une bactérie repose sur 2 capacités fondamentales: son pouvoir invasif, c’est-à- dire sa capacité de colonisation et de multiplication, et son pouvoir toxinogène, c’est-à-dire sa capacité de produire des toxines, substances toxiques pour l’hôte. Certaines bactéries pathogènes présentent une troisième capacité supplémentaire, la capacité mutagène. Une toxine est une substance biochimique de nature protéique, polypeptidique ou lipopolysaccharidique qui exerce, dans l’organisme, des effets toxiques importants. Elle peut induire des désordres pathologiques réversibles ou irréversibles au niveau de l’organisme, ou même la mort. On distingue 2 types de toxines selon leur localisation : - Les endotoxines : ce sont des toxines présentes dans la bactérie, qui restent liées à la structure bactérienne. Elles ne sont libérées quand cas de destruction de la bactérie. Par exemple, chez les bactéries à Gram négatif, la LPS est une endotoxine De même, chez les bactéries à Gram positif, les acides teichoïques, et des fragments du peptidoglycane peuvent être des endotoxines. Elles sont responsable d’un choc endotoxinique, qui se manifeste de manière très variée, dépendant de la bactérie : fièvre, diarrhée, activation du complément (un des moyens de défenses de l’organisme) ou du système de coagulation sanguine. - Les exotoxines : ce sont des toxines libérée à l’extérieur de la bactérie sans qu’il y ait eu destruction bactérienne. On en distingue 3 principaux types selon le mécanisme toxique :  les toxines à cible intracellulaire, peuvent par exemple inhiber la synthèse protéique de leur cellule cible (cas de la toxine diphtérique).  Les secondes, les cytolytiques, engendrent la lyse de leur cellule cible. Par exemple en formant des pores dans leur membrane plasmique provoquant une entrée d’eau, un gonflement, et finalement l’éclatement de la cellule cible.  Enfin, les troisièmes, les superantigéniques, vont sur-activer le système de défense de l’hôte. Le pouvoir toxinogène d’une bactérie pathogène peut être mesurée grâce à trois paramètres: - La dose minimale mortelle, la DMM : elle correspond à la plus faible dose de toxine qui, inoculé à un groupe d’animaux analogue, entraine la mort de 100% de ce groupe après un temps définie. - La dose létale 50%, la DL50 : elle correspond à la plus petite quantité de toxine qui, introduite chez les animaux entraine la mort de 50 % des animaux inoculés de ce groupe après un temps défini. - La dose minimale infectante, la DMI : elle correspond à la plus faible dose de toxine qui entraîne l’apparition d’une maladie. IX. L’antibiogramme Titre : Photographie d’un antibiogramme 1 : Absence de bactérie autour de l’antibiotique 2 : pastille d’antibiotique (7 pastilles différentes, 7 antibiotiques sont donc testés dans ce test). 3 : Tapis bactérien Ce test permet d’évaluer les résistances et sensibilités d’une souche bactérienne à différents antibiotiques. Ce test consiste à placer la culture de bactéries en présence du ou des antibiotiques, et à observer les conséquences sur le développement et la survie de celle-ci. Il existe trois types d'interprétation selon le diamètre du cercle qui entoure la pastille d'antibiotique : bactérie sensible, intermédiaire ou résistante. Dans notre cas, La bactérie testée est sensible aux antibiotiques 1 et 7. Elle est résistante aux antibiotiques 5 et 6. Et, intermédiaire pour les antibiotiques 2, 3 et 4. Un bactériostatique est un composé chimique qui empêche le développement bactérien. Un agent bactéricide est un composé chimique qui tue les bactéries.