Synthèse microbiologie 2 PDF

Synthèse microbiologie 1. La planète « Microbe » 1.1 Qu’est-ce qu’un microbe ? Organisme vivants invisibles à l’œil nu Taille variable (nm-mm) Unicellulaires vivant librement Terme introduit par Charles-Emmanuel Sédillot en 1878 La science qui les étudies s’est appelée...

Synthèse microbiologie 1. La planète « Microbe » 1.1 Qu’est-ce qu’un microbe ? Organisme vivants invisibles à l’œil nu Taille variable (nm-mm) Unicellulaires vivant librement Terme introduit par Charles-Emmanuel Sédillot en 1878 La science qui les étudies s’est appelée « microbie », puis « bactériologie » et enfin « microbiologie » On les retrouve dans les 3 domaines de la vie (Bactérie, Archée, eucaryotes), beaucoup plus de diversité chez les bactéries et les procaryotes que chez les eucaryotes 1.2 Histoire de la microbiologie 6000 AC : Fermentation alcoolique en Mésopotamie 3000 AC : Production de fromage et de saucisses (fermentation lactique) 2400 AC : Évidences physiques de malte fermenté en Égypte 100 : Présence de choucroute 1400-1500 : Production de fibres de lin grâce à l’action de bactéries du sol 1.2.1 Van Leeuwenhoek Il est à la base marchand de tissus et construit des microscopes à des fins professionnelles pour l’examen des fibres de ceux-ci. En 1677, il observe l’eau des rivières et des mares et y découvre des « animalcules ». Il ne veut pas faire publier ses travaux car il se considère comme un business man et pas un scientifique. Ses découvertes sont contestées par des personnes qui possèdent de moins bons microscopes, il rencontre des difficultés pour publier car il n’est pas scientifique et ne s’exprime qu’en néerlandais. C’est Oldenberg qui va traduire ses lettres qui seront publiées dans la revue de la Royal Society de Londres. En tout, il a construit +/- 500 lentilles et 250 microscopes. Il est le premier à observer le microbe, le spermatozoïde, le globule rouge, la structure des fibres musculaires et la vacuole. 1.2.2 Louis Pasteur Il est chimiste, il étudie les acides tartriques et décèle les deux formes chirales et la neutralité. Lorsqu’il travaille sur la fermentation, il remarque qu’en présence de moisissure on ne retrouve plus que l’acide tartrique gauche (-). Avant les chimistes pensaient que la production d’alcool était due à l’instabilité chimique des sucres mais pour pasteur la fermentation est due aux microbes. Il aide grâce à ses découvertes et ses publications l’industrie de l’alcool, du vin et de la bière. En 1748, le prêtre anglais John Needham publie des résultats montrant que la matière organique possédait la « force vitale » qui pouvait conférer la vie à de la matière non vivante alors que cette théorie de génération spontanée avait été discréditée 100 ans auparavant par Francesco Redi. Louis pasteur fait alors d’autres expériences et conclu que l’air transporte les germes qui « crée » la vie dans certains cas de « génération spontanée ». Pour se faire, il filtre l’air en utilisant du coton, l’analyse et y voit des « spores » qui remit en culture dans un milieu stérile donne une croissance microbienne. Il crée la technique de pasteurisation (méthode de chauffage) pour conserver des milieux stériles. Les micro-organismes provoquent les maladies du début du 19ème siècle. Pasteur contribue grandement à la théorie des germes et en particulier dans la méthode d’atténuation utilisée pour le développement du vaccin contre la rage. 1.2.3 Robert Koch Grâce à son étude du charbon il fait la première démonstration directe du rôle des bactéries dans les maladies. Il met en évidence la relation entre Bacillus anthracis et le charbon. Il établit une méthodologie pour montrer les relations causales entre un microbe et une maladie : les postulats de Koch. Robert Koch permet aussi d’en connaître plus sur la tuberculose mais les expériences ne sont pas toujours applicable car pas possible à isoler en culture pure et trop mortelle pour infecter un Homme. Il les cultive sur des tranches de pdt cuites , il développe des milieux de cultures à base d’extrait de viande et de protéines digérées solidifié en ajoutant de la gélatine, ce qui pose problème car elle peut-être digérée par certains microbes. Il développe les boites de Petri. 1.3 Les différents types de microbes 1.3.1 Les virus Sans cellule-hôte, ils ne se reproduisent pas. Ils sont incapables de synthétiser leur matériel génétique et les protéines. Virtuellement tous les organismes vivants « possèdent » leur virus associés. Ex : SARS-CoV-2 1.3.2 Les procaryotes 1.3.2.1 Les archées Ce sont des organismes unicellulaires, qui ne possèdent ni noyau ni organites. Ils ont la même forme que les bactéries leur paroi ne contient pas de peptidoglycane. Ils vivent parfois dans des milieux où règnent des conditions extrêmes (mer morte, source chaude,…). Leur classification à part des bactéries se fait en 1977 ce qui conduit à la réorganisation de l’arbre de la vie. C’est un groupe qui est encore mal connu et relativement peu étudié. Les méthanogènes utilisent la production de méthane pour obtenir de l’énergie. Certaines archées convertissent l’amidon, la cellulose ou encore la lignocellulose. On utilise les archées en génétique pour la PCR. 1.3.2.2 Les bactéries Ce sont des organismes unicellulaires, qui ne possède pas de noyau. De formes très diverses on connait principalement les bacilles, coques, hyphes, formes spiralées,… On retrouve parfois des arrangements multicellulaires mono ou multi-espèce. Leur paroi contient du peptidoglycane, leur reproduction est généralement asexuée. Elles tirent leur énergie de l’oxydation de matières organiques ou inorganiques et de la lumière. Ex : Escherichia coli, Streptomyces 1.3.3 Les eucaryotes 1.3.3.1 Les mycètes Ils possèdent un noyau, ont une paroi composée principalement de chitine. Certains sont unicellulaires et d’autres sont pluricellulaires et forment des mycéliums : masses de cytoplasme multinucléées emprisonnées dans un réseau de longs filaments rigides. Ils se reproduisent de manière sexuée ou asexuée et se nourrissent de composés organiques. Ex : Penicillium notatum 1.3.3.2 Les algues Elles composent le phytoplancton. Elles ont une paroi composée de cellulose, certaines sont unicellulaires, de formes très diverses parfois complexes. Elles se reproduisent de manière sexuée ou asexuée. Elles exercent la photosynthèse, vivent dans l’eau douce, l’eau salée, dans le sol et en association avec des plantes. Les diatomées forment la majeure partie du phytoplancton dans les parties les plus froides de l’océan, c’est la source la plus importante d’aliments pour les poissons et animaux marins. Leur paroi est particulière, elle est formée de deux pièces de silice qui s’emboîtent. Lorsqu’elles meurent, les frustules sombrent dans le fond et forment des dépôts appelés « terre de diatomée ». Les coccolithophores ont une coquille calcaire. En sédimentant ils peuvent évoluer en pétrole ou en gaz. 1.3.3.3 Les protozoaires Ils possèdent un noyau, sont unicellulaires et n’ont pas de paroi. Ils ont des formes variées et une structure cellulaire complexe. Ce sont des entités libres ou parasites. Ils se nourrissent de composés organiques et se reproduisent de manière sexuée ou asexuée. Il se déplacent grâce à des pseudopodes, cils,.. Ex : Amobea 1.4 La microscopie Il existe différent type de microscope, chacun utile pour une certaines partie de l’étude du vivant ou non. 1.4.1 La microscopie optique Elle utilise les propriétés de la lumière, lorsqu’un rayon passe par la lentille et donc d’un milieu à un autre, il est réfracté. L’observation avec ce type de microscope va jusqu’à 0,2 µm car elle est limitée par la diffraction de la lumière. 1.4.2 La microscopie à fluorescence Avec cette technique, on utilise des marqueurs ou des protéines naturellement fluorescente pour pouvoir observer ce que l’on veut. Comme par exemple la DAPI. 1.4.3 La microscopie électronique Ce type de microscopie utilise des faisceaux d’électrons pour créer des images fortement agrandie. Le facteur d’agrandissement typique est de 100.000x. Nous pouvons observer de façon détaillée l’ultrastructure cellulaire mais aussi la structure protéique. Ici, le faisceau d’électron remplace la lumière de la microscopie optique et un aimant se trouve à la place de la lentille. La colonne du microscope doit être sous vide pour éviter une collision des électrons avec les molécules d’air. Il existe plusieurs types de microscopie électronique : - TEM : microscopie électronique à transmission, l’échantillon disperse des électrons et on collecte ceux qui traverse pour former une image. Les régions plus dense diffractent plus et apparaissent plus sombre. Dans ce cas, l’échantillon doit être découpé en tranches. - BEM : microscopie électronique à balayage. L’image est formée à partir des électrons réfractés. Cette technique permet d’étudier la surface des microbes et les structures externes 1.4.4 La cryotomographie électronique C’est une technique de préparation des échantillons complexes. Les échantillons sont plongés dans un liquide froid (l’éthane liquide à -160°C) ce qui les fixe dans leur état natif. La visualisation de l’échantillon sur différents angles et perspectives permet une reconstruction 3D à partir de l’ensemble des images générées. 1.4.5 La coloration de Gram La coloration facilite la visualisation et l’identification des micro-organismes. Cette technique a été développée en 1884 par Christian Gram, c’est la coloration la plus utilisée en bactériologie. Cette coloration permet de diviser les bactéries en deux catégories : celle à gram + et celle à gram -. Cela résulte de leur capacité à retenir ou non un colorant. Cette capacité dépend des propriétés et structures différentes de la paroi des bactéries. Chez gram + on retrouve une épaisse couche de peptidoglycane alors qu’elle est fine chez -. Le rôle du peptidoglycane est de protéger la cellule et son milieu intérieur contre les variations défavorables de l’environnement. 1.4.6 Le peptidoglycane La principale fonction de la paroi est de protéger la cellule et son milieu intérieur contre les variations défavorables de l’environnement. Par exemple, elle empêche la cellule d’éclater quand la pression de l’eau à l’intérieur de la cellule est supérieure à celle de l’environnement. Elle est formée de peptidoglycane qui est un réseau formé de chaînes de monosaccharides connectées par des peptides. Le peptidoglycane est spécifique aux bactéries. 2. Origine de la vie et évolution microbienne 2.1 Depuis combien de temps les microbes sont-ils présents sur Terre ? Les microbiologistes trouvent des indices quant aux premières formes de vie sur Terre en étudiant les environnements extrêmes. Ces conditions sont-elles semblables à celles qui ont permis le début de la vie ? Les cyanobactéries forment des tapis microbiens qui permettent le développement de protistes et de nématodes. Ces tapis bactériens ressemblent aux tapis fossiles australiens (3,48 milliards d’années). Ils sont formés de grains de silicate qui sédimentent et remplacent la structure organique au fur et à mesure de la fossilisation. Les couches sédimentaires et la forme ridée restent visibles après des milliards d’années. En 2012, la NASA a envoyé sur Mars le « Mars Science Laboratory », on y découvre des structures similaires aux tapis microbiens observés en Antarctique. Ces structures ont été datées de 3,7 milliards d’années, ce qui correspond à l’émergence de la vie sur Terre ! Les microfossiles de 2 milliards d’années sont formés de cellules similaires aux cellules bactériennes actuelles. 2.2 Evolution de la vie sur Terre, quel est l’ancêtre commun ? L’ascendance commune de tous les organismes vivants, incluant les humains, est prouvé par le partage de séquences similaires au niveau de l’ADN. La séquence de l’ARN 16S permet de reconstruire l’histoire évolutive des organismes (microbe ou non). L’ARN16S est un marqueur évolutif, c’est une structure conservée au cours de l’évolution. L’évolution a contre sélectionné les changements majeurs dans le ribosome mais les modifications mineures se sont produites au cours de l’évolution qui sont suffisantes pour construire une phylogénie. Régions plus conservées : comparaison d’organismes distants et région moins conservées : comparaison d’organismes plus proches. Les Eucaryotes ont émergé d’une archée primitive, avant la diversification des Archées. Il existe 3 domaines évolutivement distincts ayant comme origine un ancêtre commun (LUCA). Les génomes entiers sont séquencés, ce qui permet d’observer l’importance du transfert horizontal de gènes. Certains gènes eucaryotes sont similaires à des gènes de cyanobactéries. Un autre ensemble de gènes est similaire à des gènes d’alphaprotéobactéries. Un troisième ensemble de gènes place les eucaryotes dans le domaine des Archées. La vision « web » de la vie réconcilie les données génomiques en plaçant les Archées et les Bactéries comme les deux lignages ancestraux ayant évolués d’un ancêtre commun et les Eucaryotes comme un groupe hybride ayant évolué à partir des Bactéries et des Archées après que leur diversification ait commencée. L’invagination de la membrane d’une cellule ancestrale donne naissance à un système de cytomembrane. C’est la première endosymbiose par une bactérie aérobie et une seconde endosymbiose par une bactérie photosynthétique. 2.3 Origine et diversité de la vie Il y a 4 milliards d’années : refroidissement de la Terre et formation des océans. Apparition de la vie dans cette soupe prébiotique chaude composée de différents métaux,… Avant l’apparition des premières cellules, des molécules organiques se sont formés à partir de molécules inorganiques. Apparition des protéines, acides nucléiques, lipides et glucides sont essentielle mais insuffisante pour la vie. Plusieurs théorie sur l’origine de la vie : - Les molécules organiques ont une origine extraterrestre : comètes et météorites ont atteint la Terre primitive, analyses chimiques de météorites ont identifié de grande quantité de molécule. - Molécules organiques ont pu apparaitre sur la Terre primitive : atmosphère prébiotique riche en CO2, N2 et H2O. Une atmosphère réductrice n’aurait pas demandé autant d’énergie qu’actuellement pour effectuer certaines réactions chimiques. L’expérience de Miller et Urey essaye de recréer l’environnement de la Terre primitive en laboratoire. L’atmosphère réductrice riche en hydrogène et dépourvue d’oxygène au-dessus de l’eau liquide. Maintiennent une température juste en dessous de 100° et simulent des éclairs d’orages via des décharges électriques. Après 1 semaine, 15% du carbone d’origine s’est transformé en d’autres molécules simple. Ensuite apparition d’acide formique, de l’urée et molécules complexes. Cette expérience est ensuite considérée comme incorrecte car mauvais choix des gaz composant l’atmosphère primitive supposée. Néanmoins, l’expérience a ouvert un nouveau domaine de recherche. L’expérience de Sutherland montre l’apparition spontanée d’ARN. 2.4 Le monde ARN La vie sur terre a démarré à partir d’une molécule d’ARN simple capable de le répliquer elle-même sans l’aide d’autre molécule. Etape de réplication d’un système crucial pour l’émergence de la vie. Complexification du système pour augmenter son efficacité et précision. Les protéines agissent comme catalyseurs des réactions chimiques mais sont incapables de stocker l’information requise pour leur propre synthèse. L’ARN, via l’appariement des bases peut « facilement » synthétiser son complémentaire puis par un nouveau cycle de réplication obtenir une copie de la molécule originale. La transcription produit 4 types principaux d’ARN : - ARN messagers : ils sont porteurs de l’information génétique encodée par le génome. Traduit par le ribosome en protéine. - ARN de transfert : ils amènent les acides-aminés dans le ribosome - ARN ribosomiaux : ils jouent un rôle structurel et fonctionnel dans les ribosomes - Petits ARN régulateurs : ils régulent la traduction et agissent à différents niveaux L’ADN est produit par modification d’un ARN qui peut se former naturellement. La thymine est produite à partir d’uracile. Les ARNt sont constitués de nucléotides particuliers que l’on retrouve dans les 3 domaines de la vie. L’ARN est le matériel génétique de nombreux virus. Les ribozymes sont des ARN possédant une activité catalytique. Les ribonucléase P impliquées dans la maturation des ARNt. Les ARNs de certain virus présentent des activités catalytiques. L’ADN est plus stable que ARN + T et pas U permet de détecter et réparer les désamination de C en U. L’ADN inventé par les virus comme mécanisme de défenses pour échapper aux nucléase de l’hôte. L’hypothèse supportée par la capacité de certain virus ARN d’incorporé dans leur génome des gènes provenant de virus ADN. Il semble peu probable qu’un précurseur d’ARN ai pu émerger naturellement et avoir une réplication plus rapide que sa dégradation. 3. Importance des microbes 3.1 Importance dans l’histoire de la Terre et de l’homme Presque tout l’oxygène respirable de la Terre provient des océans et donc des micro-organismes marins capables de réaliser la photosynthèse. Pendant plus de 2 milliards d’années, la photosynthèse s’est uniquement déroulée au sein des océans. Les microbes sont partout sur la Terre, même dans les environnements les plus hostiles. Bien qu’ils soient de petite taille, leur nombre est immense. Dans les océans dans 1L d’eau, on retrouve 1 milliard de bactéries et 10 à 100 milliards de virus. Les micro-organismes sont encore plus abondants dans les sols, les sédiments et dans les régions plus profondes. Au total, la biomasse constituée par les microbes constitueraient au moins 20% de la biomasse totale. 3.2 La grande oxygénation On peut dater la grande oxygénation grâce à la datation des roches. L’atmosphère prébiotique était principalement composé de CO2 et de méthane avec très peu d’oxygène, un environnement parfait pour les premiers organismes anaérobiques. Avec l’apparition de la photosynthèse, les premières cyanobactéries tirent leur carbone des molécules de dioxyde de carbone extraites de l’atmosphère et l’énergie nécessaire de la lumière solaire. Chaque réaction de fixation d’un atome de carbone supplémentaire libère une molécule de dioxygène qui n’est donc pour ces organismes vivants qu’un déchet toxique. L’oxygène libéré dans les océans est rapidement capturé par le fer dissous sous forme de magnétite, insoluble et précipitant dans les fond des océans. Lorsque tout le fer a précipité l’O commence à coloniser l’atmosphère. On estime qu’il fallut près d’un milliard d’années à précipiter la plupart du fer soluble pour permettre à l’oxygène de s’accumuler dans l’atmosphère en +/- 50 millions d’années. Cette réduction de la disponibilité en fer a eu des conséquences dramatiques pour le vivant. Elle a conduit à une extinction de masse des organismes qui produisaient le ROS. Mais l’oxygène a permis le développement de la vie aérobie avec un métabolisme plus efficace et rentable. Cette extinction de masse fut suivie d’un accroissement rapide de la biodiversité. L’oxygène libre est à l’origine de la formation de la couche d’ozone qui a pour effet d’absorber la plus grande partie du rayonnement solaire UV, autorisant l’accroissement de la biodiversité. 3.3 Les bactéries, les archées et les cycles géochimiques Le cycle du carbone peut être représenté en terme de sources de puits et de réservoir de CO2. Ce sont les microbes comme les cyanobactéries et les diatomées qui permettent certaines étapes de ce cycle. Elles piègent le carbone sous forme de carbonate de calcium au sein de leur coquille. Ces sédiments se transforment ensuite en roches calcaires. Seul les archées sont capable de produire du méthane à partir d’H2 et de CO2, ils en produisent un milliard de tonnes par an. Le cycle de l’azote est également essentiel pour le vivant, seules les bactéries et les archées fixent l’azote atmosphérique. Qu’elles réduisent en ammoniac, forme assimilable par les plantes. Sans ces cycles, les plantes et les animaux ne pourraient se développer. Les micro-organismes jouent un rôle central dans le maintien des équilibres dynamique des cycles. Mais, il y a un problème d’accumulation rapide depuis 150 ans de CO2 due à la consommation des carburants fossiles. La déforestation contribue également à cette augmentation. Le réchauffement du permafrost en régions subarctiques a drastiquement augmenté la respiration des micro-organismes du sol. L’excès de NH4+ à cause des engrais,… ruisselle dans les lacs ou les océans. Il y a nitrification mais les nitrates ne sont pas assimilable par les plantes. La dénitrification va conduire à la production de gaz à effets de serre et de polluant. Des régions dépourvues de vie animale et végétale apparaissent suite à une augmentation rapide et massive des nutriments, en particulier aux embouchures des rivières et océans. Ce qui conduit à une augmentation démesurée du phytoplancton qui à sa mort va sombrer dans le fond des océans, décomposer par des organismes hétérotrophes tout l’oxygène. Les poissons et invertébrés meurent car les plantes ne peuvent plus pousser par manque de lumière. Les seuls organismes restants sont des microbes chimiolithotrophes qui vivent en fixant le CO2 et en tirant leur énergie de composés inorganiques réduits. La 2ème zone morte la plus grande au monde se trouve au large de l’embouchure du Mississippi. Ce phénomène est réversible dans certain cas mais on estime que d’ici 2100 ces zones mortes pourraient constituer 20% des océans. 3.4 Les micro-organismes dans l’histoire de l’homme L’homme a utilisé les micro-organismes à son avantage depuis la nuit des temps avant même de connaitre leur existence. Par exemple dans le traitement des eaux usées, les médicaments, les boissons et aliments. 3.4.1 Le microbiome Les humains sont colonisés par les micro-organismes qui constituent le microbiome. L’évolution de l’homo sapiens est étroitement lié à la relation entre l’homme et son microbiome. Le microbiote est l’ensemble des micro-organismes présent dans un environnement précis. Dans notre corps, il y a 10x plus de cellules bactériennes que non-bactériennes. Le microbiote est stable, sauf en cas de pathologie. Le colon contient 1 à 2kg de bactéries. Le microbiome est essentiel à notre santé : il forme notre immunité, la première barrière contre les infections. Les personnes atteinte d’inflammation chronique de l’intestin sont plus susceptible à des infections bactériennes tel que Clostridium. Au niveau de la peau, sur les zones d’eczéma, le microbiote cutané perd sa diversité microbienne à cause du staphylocoque doré qui prolifère excessivement. Il faut voir l’homme et son microbiome comme un tout. Il y a une co-évolution, c’est une entité unique soumise à la pression de sélection pas sur les organismes individuels. Il faut ré-évaluer l’approche de la médecine moderne pour traiter l’ensemble et pas seulement l’hôte. Le microbiote intestinal est essentiel, il participe à l’immunité mais aussi à la synthèse de certaines vitamines, à la digestion de la cellulose,… Lorsqu’on transfère le microbiote d’une souris obèse à une souris mince, celle- ci grossis. Akkermansia muciniphila est moins importante chez les sujets obèses. 3.4.2 La fermentation Elle est essentielle dans plusieurs processus de création d’aliments comme la bière mais aussi le chocolat, dont on va parler ici. Ce processus a été développé par les Aztèques il y a plus de 500 ans. Chaque gousse de cacao, contient 30 à 40 grains dans une pulpe blanche collante. Les graines et la pulpe sont mises a fermenter dès la récolte. La fermentation fait intervenir plusieurs microbes comme des levures. L’augmentation de la température et de la concentration en alcool inhibent des levures. L’augmentation des bactéries lactiques permet une fermentation lactique. La chute du pH va favoriser la croissance des bactéries qui vont produire de l’acide acétique crucial pour obtenir un bon chocolat. Cette fermentation est très régulée car si elle est trop courte le chocolat est astringent mais si elle est trop longue les microbes vont croître sur la graine et plus uniquement dans la pulpe. 3.5 Les infections microbiennes Les microbes représentent 95% de la biosphère en terme de diversité et jusqu’à 50% de la biomasse sur terre mais moins de 3% de ceux-ci sont des pathogènes. On retrouve différentes infections microbiennes comme les virus (variole, sida, rougeole,…), les bactéries (tétanos, peste, coléra,…), les parasites (ver solitaire, malaria,…) et les champignons (mycose, eczéma,…). La malaria est un cycle complexe entre le moustique et l’Homme. La drépanocytose est fortement mortelle mais l’évolution a maintenu cette mutation. Cela est dû au fait que cette maladie est un avantage contre la malaria car les globules rouges porteurs de l’HB défective lyse plus rapidement et empêche donc la reproduction du virus. 3.6 Scénario : un monde sans microbe Que se passerait-il si un super-phage tuait toutes les bactéries sur Terre ? - Possiblement une aggravation des maladies virales ; - Arrêt des processus permettant la fixation d’azote ce qui serait une catastrophe pour le rendement agricole ; - Arrêt de la décomposition des cadavres et végétaux morts donc appauvrissement et pollution des sols ; - Perte de la capacité à dégradé les sucres complexes, les ruminants sont incapables de digérer et fermenter la cellulose. 4. Virologie 4.1 Nature des virus Sans cellule-hôte, les virus ne se reproduisent pas. Ils sont incapables par exemple de synthétiser leur matériel génétique et leurs protéines. Ils se répliquent en utilisant la machinerie de l’hôte. Tous les virus ont une structure de base commune, un génome d’ARN ou d’ADN entouré d’une capside protéique et parfois d’une enveloppe de lipide, protéines ou glycoprotéines. Les virus ARN doivent coder leur propre ARN polymérase car les cellules hôtes en sont souvent incapables. Cette polymérase à un taux d’erreur élevé ce qui conduit à de nombreuses mutations, ce sont des cibles difficiles pour le système immunitaire, pour le développement de vaccin et médicaments antiviraux. Dans un organisme pluricellulaire, de nombreux virus présentent un tropisme tissulaire, ne ciblant qu’un type cellulaire particulier. Par exemple, le rhabdovirus n’infecte que les neurones où il se réplique. Chaque particule virale ne contient qu’un seul type d’acide nucléique. Les virus sont strictement dépendants du métabolisme d’une cellule. 4.1.1 Le virome Il y a 10 fois plus de cellules bactériennes dans/sur notre corps que de cellules humaines. On retrouve environ 37.1013 virus dans notre microbiome, c’est de loin les entités les plus abondantes, ces virus composent le virome. Dans 1 litre d’eau, on peut retrouver environ 10 à 100 milliards de virus. 4.2 Les bactériophages Ce sont des virus qui infectent exclusivement les bactéries. En général, ils ont une morphologie caractéristique composée d’une tête et d’une queue. La lyse cellulaire va être le résultat d’une infection par un bactériophage lytique. Le phage T4 est un phage virulent lytique à ADNdb, en voilà son cycle : 1) Attachement à la surface de la cellule ; 2) Fibre de la queue du phage rentre en contact avec la surface et certaines protéines de la membrane ; 3) Plus il y a de fibres qui prennent contact plus la plaque basale du phage se rapproche de la surface ; 4) Changement de conformation pour permettre au tube central de pénétrer la paroi bactérienne ; 5) Finalement l’ADNdb linéaire est expulsé de la tête à travers le tube et pénètre la cellule hôte. 2 minutes après l’injection il y a transcription de l’ADN viral qui se fait en moins de 5 min. L’expression des gènes du T4 est soigneusement minutée au cours du cycle d’infection. Il utilise les régulateurs et la machinerie de la cellule. La formation des nouvelles particules virales T est un processus d’auto-assemblage. Les produits de l’ARN tardif après injection, codent pour les protéines de structure du phage et production des protéines de la capside. Le cycle du phage lambda oscille entre un cycle lytique et un cycle lysogénique. Le choix du cycle est contrôlé par cll, si accumulation rapide alors programme lysogénique et activation de l’intégrase. Par contre, si cll est dégradé par une protéine hôtes HflB alors protéine Cro est produite, celle-ci induit la protéine Q et le cycle lytique. Il peut y avoir une réactivation souvent suite à des stress qui vont endommager l’ADN. Dans sa réponse de réparation, la cellule produit recA qui va interagir avec le répresseur λ ce qui entraine son clivage ce qui va conduire à la réactivation du phage. La lysogénie peut modifier le phénotype de l’hôte. L’insertion d’une séquence virale peut modifier les caractéristiques de la bactérie infectée due à l’expression des gènes phagiques en combinaison de ceux de l’hôte. Par exemple, le vibrio cholerae est une bactérie normalement bénigne présente dans l’eau mais lorsque celle-ci est lysogénisée par un phage elle devient responsable du choléra. La phagothérapie, est un concept datant du début du 19ème siècle, elle utilise le phage comme un médicament contre les infections bactériennes. Pour cette technique il faut isoler l’organisme infectieux et puis trouvé le phage le plus efficace. Il y a des régulations à mettre en place car le phage n’est pas considéré comme un médicament, pression de la résistance aux antibiotiques. 4.3 Les virus archéens La connaissance de ces virus est très en retard sur celle des virus bactériens et animaux car nous connaissons mal les archées. Les virus archéens qu’on connait ont pratiquement tous un ADN génomique double brins. La libération du virus conduit à la formation d’une structure en pyramide à la surface des cellules. 4.4 Les virus eucaryotes 4.4.1 Le sida – le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) C’est un virus à infection chronique et latente, il est transmis quand des fluides corporels contaminés entrent en contact avec une membrane muqueuse. La phase initiale de l’infection est caractérisée par une infection aiguë avec une charge virale très élevée. Propagation de l’infection dans l’organisme, pas de réponse immunitaire, symptômes grippales. Au final, le système immunitaire n’est plus capable de contrôler le virus, la charge viral augmente et les symptômes du SIDA apparaissent. Le VIH infecte et détruit les cellules du système immunitaire, l’organisme ne sait donc plus se défendre contre les pathogènes. Les malades du sida meurent d’infection qu’une personne saine serait capable de combattre -> Infection opportuniste. 4.4.2 Les herpes virus humain Ils infectent plus de 4 milliards d’individus. Ce sont des infections virales persistantes caractérisées par une phase d’infection initiale aiguë suivie de période de charges virale nulle ou faible avec des épisodes intermittents de réplication et de maladie. Le virus infecte les cellules neuronales où il peut rester à l’état latent car ils sont capable de cacher leur génome circulaire dans le noyau des cellules nerveuse. La réponse est différentes en fonctions des cellules. Exemple : varicelle, zona, herpès labial. 4.4.3 Le virus de la grippe et dérivé antigénique On estime que la grippe cause entre 3 et 5 millions de cas sévères par année. La grippe humaine est causée par les virus influenza A et B et est propagée par transmission directe lors de toux. Le virion se fixe à un sucre à la surface des cellules épithéliales grâce à une protéine de son enveloppe hémagglutinine. Le génome ARN migre dans le noyau où il est répliqué et utilisé pour produire des ARNm. L’enveloppe du virus est créée à partir de la membrane via bourgeonnement. La libération de celui-ci dépend d’une protéine virale la neuraminidase intégrée à la membrane virale. Le taux de mutation de ce virus est très élevé ce qui provoque une dérive antigénique dans les gènes HA et NA. Lorsque un individu est infecté par plus d’un virus, les génomes viraux se réassortissent au cours de l’infection. La substitution antigénique responsable de nouvelles combinaison HA-NA furent responsables de 3 épidémies majeur au XXème siècle (grippe espagnole, asiatique et de Hong Kong). 4.4.4 Les virus responsables de cancers Tous utilisent l’ADN comme matériel génétique à un moment de leur cycle de reproduction. Tous ont des mécanismes assurant la transmission de leur génome lors de la division cellulaire. Ils utilisent un mécanisme d’échappement au système immunitaire pour établir une infection permanente. Par exemple, le papillomavirus humain et le cancer cervical. 70% des cas de cancers cervical sont dus au HPV mais certains sont bénins et ne vont causer que des excroissances de peau semblable à des verrues. Ce sont des protéines virales E6 et E7 qui interfère avec le cycle cellulaire et l’apoptose. Normalement pRB contrôle le facteur de transcription E2F mais E7 s’y lie et l’empêche de le contrôler ce qui force la division de la cellule infectée. P53 doit déclencher l’apoptose mais E6 va s’y lier, ce qui empêche la mort cellulaire. Des divisions cellulaires incontrôlées sont souvent la première étape d’une tumeur. 5. Biologie moléculaire Quel est l’arsenal d’antimicrobiens du lait de lune bactéries qui légitimeraient son utilisation passée contre maladies infectieuses ? « Cave microbiologie » : découverte d’organismes oligotrophes et du « lait de lune » recouvrant les parois de certaines grottes qui est une preuve archéologique. Moonmilk : utilisé pour soigner les plaies car propriétés antibactériennes. 2 approches : - Les bactéries cultivables - Les bactéries non cultivables : approche métagénomique c’est-à-dire extraire et séquencer de l’ADN de l’environnement. Mais la plupart du matériel génétique séquencé est non identifiable. A quel point l’endroit de collecte est important ? « Tout est partout seules les conditions environnementales influent ». C’est faux Dans la grotte, on voit que tout n’est pas partout, ce qui fait sens car le calcaire dépend notamment du ruissellement,… Si milieu différent à l’extérieur, ruissellement différent. La plupart de l’analyse dans les grottes est inconnus et sans représentant cultivable. Il y a un gouffre entre la réalité et ce qu’on a su analyser. Comment améliorer la culture ? Elimination des ROS (?) sur le milieu de culture permet de cultiver plus, donc en jouant un peu, on peut approcher cette matière noire. Mais d’autres sont impossibles à cultiver comme ça car elles vivent en symbiose. Est-ce que certaines bactéries ne sont pas à l’origine du minérale ? Si capable d’interagir avec l’azote environnementale, il faut augmenter le ph et favoriser la réaction de précipitation du CaCO2. Est-ce qu’elles peuvent faire des antibiotiques ? 1. On met souche microbienne dans agar mou 2. On isole bactéries et on analyse la croissance Doit avoir matériel génétique de résistance pour se protéger de l’antibiotique avant même de le produire. Comment améliorer l’isolement des Actinomycète difficiles à cultiver ? Mutant : matériel génétique touché. Du phénotype mutant inattendu à la nouvelle fonction gène/protéine. Comment un mutant peut-il survivre sachant qu’il n’est plus capable d’utiliser le seul nutriment du milieu ? La compensation génétique est définie comme des changements dans les niveaux d’ARN ou de protéines qui peuvent compenser fonctionnellement la perte de fonction d’un autre gène. Le mutant va surproduire des protéines qui vont compenser le manque d’enzymes -> réveil d’enzymes. Cross-feeding : échange nutritionnel