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AIH– Anatomie, physiologie, taxonomie et génétique bactérienne

11/02/2015 (10h-11h)BUJON Solène L2 (CR : Hamza Berguigua)AIHPr Vicky MERHEJ 14 pages

Anatomie, physiologie, taxonomie et génétique bactérienne

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Plan

PARTIE 1 : Anatomie, physiologie et taxonomie

A. Introduction I. Généralité II. Structure cellulaire

B. La membrane plasmique C. La paroi

I. Généralité II. Coloration Gramm III. Taxonomie

D. Le glycocalyx E. La capsule bactérienne F. Apendices bactériens externes

I. Les flagelles II. Les pilis

G. Composition du cytoplasme H. Génome bactérien

I. Le chromosome bactérien II. Les plasmides III. La génomique bactérienne : base actuelle de la taxonomie bactérienne

I. Endospore forme de résistance J. Nutrition et croissance bactérienne

I. Les nutriments II. Les condition environnementales III. Croissance bactérienne

PARTIE 2 : Génétique bactérienne

A. Introduction B. Les variations génétiques par mutation C. Variations génétique par transfert de matériel génétique


PARTIE 1 : Anatomie, physiologie et taxonomie

A. Introduction

I. Généralité

Il existe deux formes de bactéries : coccis et bacille, Elles ont une importante variété de morphologie : vibrion spirales, mycélium...Elles ont également un arrangement caractéristique : paire (diplocoque), chaine, grappe (staphylocoque),

tétrade (rond en tétrade)

C'est trois premiers éléments permettent une orientation sur l'identité de la souche.

La taille est également variable 0,1μm à 10μm . Elles peuvent être très petites 25 à 200 nm : nona bactéries, ou au contraire géantes comme Thiomargarita namibiensis (750μm)

II. Structure cellulaire

Les bactéries sont composées d'un cytosol entouré d'une membrane et d'une paroi par dessus la membrane plasmique.Entre la membrane et la paroi il y a le périplasme.

La fonction de la paroi est l'échange.

La capsule, le glycocalyx, les flagelles, les pilis (au singulier : pilus), le nucléoide, les ribosomes, les inclusions et vésicules sont des éléments bactériens qui ne sont pas présents chez toutes les bactéries.

– La Membrane cytoplasmique est un barrière perméable sélective ce qui permet à la bactérie de survivre. Elle assure également les fonctions de processus métaboliques et de chimiotactisme.

– La Paroi assure la forme de la bactérie (cocci, bacille), elle est plus rigide.

– La capsule est une forme de résistance à la phagocytose et assure la faculté d’adhérence des bactéries.

– Les endospores permettent la résistance aux milieux extrêmes.

– Les pilis ou fimbriae permettent l' attachement aux surfaces et les processus de conjugaison bactérienne.

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– Le flagelle assure la mobilité. En effet certaines bactéries se déplacent au grés du mouvement du flux (sang, goutte d’eau) mais d'autres se déplacent en sens inverse du flux, ces dernières sont dotées de flagelles.

– Le nucléoide est le matériel génétique.

– Les vacuoles gazeuses, ribosomes, inclusions, sont trouvés dans le cytosol.

Ces éléments sont propres à la bactérie on ne les trouve pas dans les virus.

B. La membrane plasmique

La membrane plasmique est une mosaïque fluide composée d'une bicouche lipidique semi-perméable, sans stérols ni lecithine.Cette permissivité est localisée à des endroits qui aménagent un passage pour les substances du fait d'un aspect plus lâche.

La fonction de la membrane est le transport, le métabolisme et les récepteurs (interêt en thérapie pour le passage de médicaments).

C. La paroi

I. Généralité

La paroi est rigide, elle enveloppe la membrane. Elle assure l'intégrité de la bactérie et est responsable de sa forme.

/!\ EXCEPTION : Les mycoplasmes n’ont pas de paroi.

Elle est différente selon que la bactérie soit Gram+, Gramm- ou une mycobactérie. Cette coloration de Gramm est faite en fonction des caractéristiques de la paroi.

Le composant commun aux parois est le peptidoglycane qui est absent chez les eucaryotes et les archées. Ainsi, les médicaments attaquant la synthèse du peptidoglycane s’attaquent à la paroi des bactéries ce qui tue la bactérie de façon sélective (diminution des effets secondaires)

Ex de la pénicilline : elle appartient à la grande famille des beta lactamines qui ont la propriété de s’attaquer au peptidoglycane, elle est synthétisée par un champignon, le pénicillium.

II. Coloration Gramm

La structure variable des bactéries permet de développer une coloration Gramm :

Chez les bactéries Gramm + : le peptidoglycane est très épais (20 à 80 nm)

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Chez les bactéries Gramm - : le peptidoglycane est beaucoup plus fin (3nm) mais en plus il est accompagné à la membrane de LPS qui est reconnu comme une endotoxine (différent des exotoxines qui sont sécrétées) par l'organisme. Ces bactéries provoquent une toxicité grâce au LPS.

Chez les micobactéries : Le peptidoglycan est accompagné de cires (peu perméable, les colorants de Gramm ne passent pas, on utilise donc une autre coloration)

Le petidoglycan permet avoir la forme cocci ou bacille (batonnet) ou cocobacille (rond allongé) ou forme en spirille (ex maladie de leim)

La coloration de Gramm est composée de plusieurs étapes :

- Coloration au Critstal violet (analine)- Insolubilisation au lugol (iode)- Décoloration à l’alcool/acétone (gramm+ reste bleu car n 'élimine pas le colorant)- Decoloration fushine/safarine (les Gramm+ deviennent violettes et Gramm – sont roses)- Lecture au microscope

La dimension importante du peptidoglycane chez Gramm + empêche la décoloration.Ces donc une propriété de la paroi qui est utilisée pour reconnaitre mais aussi pour traiter en ciblant spécifiquement la paroi.

III. Taxonomie :

Elle a plusieurs buts :

– Le Diagnostic : examen direct– La Thérapeutique : cible des antibiotiques, cible de phages (virus bactérie), cible du système imm /

vaccin

D. Le glycocalyx

Il est très fréquemment présent. C'est un réseau de polysaccharides entourant la paroi et recouvrant la surface des bactéries.Il détient un rôle important dans l'adhésion, la protection contre la dessication et les modifications de l'environnement car il garde les nutriments dans le cytosol et protège les bactéries contre les antibiotiques en limitant leur contact.

E. La capsule bactérienne

C'est un glycocalyx structuré et dense qui n’existe pas tout le temps et même quand il existe dans la souche, il est inconstant (c'est à dire que certaines bactéries vivent normalement en l'absence de cette capside).

Cette structure est donc importante pour la virulence de la bactérie et non sa survie.

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Elle est composée de

– Polysaccharides acides : acides uroniques (galacturonique, glucuronique, hyaluronique)– Polymères ramifiés– Eau (98%) et cations divalents – +/- Polypeptides (ex: B. anthracis)

Elle présente l'aspect d'un gel.

Pour mettre en évidence la capsule il faut réaliser une coloration particulière à l’encre de chine (bleu sombre noir) la capsule est autour de la bactérien en halo. On peut aussi utiliser des anticorps anti capsules.

Les propriétés de la capsule sont :

– Propriété antigénique, vaccin, anticorps– Typage– Virulence– Résistance

F. Appendices bactériens externes

I. Les flagelles

Les flagelles assurent la mobilité, ils sont visibles en microscopie optique. Ils sont composés de flagelline, une protéine, et de l'antigène H (AgH)

– Monotrichous : bactéries à un seul flagelle (déplacement dans un seul sens)– Amphitrichous : bactéries avec un flagelle de chaque coté (déplacement avec oscillation droite gauche)– Lopriotrichous : bactérie à plusieurs flagelles à l'extrémité .– Poritrichous : Flagelles dispersés tout autour de la bactérie (déplacement par oscillation)

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II. Les pilis

Les pilis sexuel : pilu F assure la conjugaison bactérienne

Les pilis classiques ou fimbriae : ils ont un rôle dans l’adhésion et donc dans la colonisation des bactéries. Ils sont nombreux sur les bactérie Gramm -

Ex : dans l'urine normale ont ne trouve aucune bactérie ! la présence de E.coli par exemple montre une infection. On a pas de bactérie dans les urines car il existe un flux (de ce fait pour les analyses urinaires, on élimine le premier jet) quand on urine on fait passer un flux important donc les bactéries glissent sur la paroi. Or, elles doivent avoir un support pour initier une infection, certaines ont la capacité de développer une infection malgré le flux (dans les urines ou les poumons) ces bactéries responsables d'infection dans un milieu contenant un flux ont des pilis impliqués dans l'adhérence.

G. Composition du cytoplasme

Il est aqueux.A l’intérieur on trouve des protéines, des acides nucléiques et un sytème de traduction qui différencie les bactéries des virus : elles sont indépendantes des cellules eucaryotes. Le cytosol renferme également un cytosquelette mais pas de système membranaire complexe.

H. Le Génome bactérien

Le génome bactérien est le support de l’information génétique.On distingue le chromosome bactérien et les plasmides.

I. Le chromosome bactérien

Le chromosome bactérien est unique et le plus souvent circulaire. L'ADN bicaténaire forme un nucléoïde : chromosome sur enroulé associé à des protéines, de l'ARN et des enzymes.

II. Les plasmides

Les plasmides sont le plus souvent circulaires (parfois linéaires) avec une taille réduite. Sa replication est autonome.

Il n’est pas indispensable à la survie de la bactérie, il peut être en nombre élevé de copies ou en copies limitées quand il y a compétition avec les autres éléments de la bactérie (le nombre de copies est controlé par la bactérie).Un bactérie ne peut pas comporter deux plasmides similaires.

Leurs fonctions :

- Codent pour le facteur F (pilus sexuel)- Facteur de virulence et toxine (exotoxine différent du LPS) Rmq : toxine seule signifie exotoxine- Synthèse de bactéricides : pour tuer d’autres bactéries- Résistance aux antibiotiques et à l’environnement- Capacité métabolique : rare+++ dégradation de toluène, pesticine, fixation azote (quand vie avec un

végétal)

Ils sont très utiles en microbiologie et génétique pour le transfert de nouvelles combinaisons génétiques, le

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clonage de gène et l'obtention de nombreuses copies dans une seule cellule grâce à la réplication indépendante.

III. La génomique bactérienne : base actuelle de la taxonomie bactérienne

La génomique bactérienne est la base actuelle de la taxonomie bactérienne.

Dans notre organisme on a plus de bactéries que de cellules eucaryotes. Pour les étudier il faut les classer, pour cela on attribue une identité à un objet.

La taxonomie permet de délimiter des groupes de microorganismes.La nomenclature découle de la taxonomie : elle attribue un nom à un groupe d’individus. Actuellement c’est le nucléoide qui permet cette classification fine.

Les éléments de nomenclature

- Lignée, classe genre et espèce- En pratique le genre et l'espèce sont toujours écrits en latin et en italique, le genre avec une majuscule

et l'espèce en minuscule (ex : Staphylococcus aureus)

On distingue deux types de taxonomie : la taxonomie phénotypique et génotypique

– La taxonomie phénotypique est basée sur : o les caractères culturaux

o les caractères microscopiques

o Le métabolisme :Recherche d'enzyme :

assimilation ou fermentation de sucres : voie attaque des glucose, fermentation de hydrate de carbone, auxonogramme (eau, sels minéraux, azote, facteurs de croissance+sucre)

Recherche de métabolites intermédiaires

– La taxonomie génotypique est basée sur la comparaison entre nouvelles et anciennes bactéries. On dit qu'elles appartiennent à la même espèce si leur génome se ressemblent à plus de 70%. Elle utilise la technique de PCR avec un séquençage automatique. Le principal outil est l’ARN 16S ribosomique qui est suffisamment variable pour différencier les bactéries (il est composé d'une partie variable et d'une partie constante)

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I. Les endospores, forme de résistance :

Les endospores sont des structures reproductives très résistantes dans l'environnement : chaleur, UV, désinfectant, froid, déssication, vide..

Les endospores sont une structure qui déforme la bactérie.

Ils sont visibles en microscopie otique (bleu de méthylène).A la coloration de Gramm, ils correspondent à des zones non colorées ou un peu bombée.Les spores peuvent être non déformante (pas observable)

J. Nutrition et croissance des bactéries

Plusieurs conditions sont nécessaires à la culture des bactéries : nutriments, condition environnementales (température, pH, pression osmotique, pression partielle en oxygène)

Les conditions dépendent des bactéries.

Définition de milieux et de conditions de culture

I. Les nutriments

Ils sont directement assimilables et nécessaires à l'entretien et la croissance.

Les besoins élémentaires sont : C, H, O, N, S, P, FE, Ca, Mg, K…

– Les bactéries hétérotrophes nécessitent du carbone organique.– Les bactéries autotrophes et lithotrophes utilisent directement les composés minéraux (CO2..)

Les besoins spécifiques de certaines bactéries :

– Les bactéries auxotrophes ont besoins d'apport extérieur de facteurs de croissance (vitamine)– Les bactéries prototrophes n'ont pas de besoins spécifiques

Les besoins energetiques :

– Les bactéries chemotrophes utilisent l'oxydoréduction– Les bactéries phototrophes utilisent la photosynthèse

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II. Les condition environnementales

La Température

– Les bactéries thermophiles vivent à des températures > 40°– Les bactéries mésophiles vivent à des températures comprises entre 20 et 40° (pathogène pour

l'homme++)– Les bactéries psychrophiles vivent à des températures < 20°– Les bactéries cryophiles vivent à des températures aux alentours de 4°C (ex : Listeria monocytogenes se

développe même dans les aliments placés au frigo, les individus sensibles à cette bactérie sont les femmes enceintes et les immunodéprimés)

Quand on veut détruire des bactéries on utilise la température d'inactivation des bactéries : c'est la stérélisation.Il existe plusieurs méthodes de stérilisation :

- Ébullition- Auto clavage (121°C avec une pression supérieur à 20mn)- Pasteurisation- UHT : lait soumis à +135° pendant qql secondes- Flamme (bec bunsen)

Le pH

Le pH optimum est en général neutre ou légèrement alcalin (7,5)

– Les bactéries acidophiles vivent dans des milieux acides (yaourt..)– Les bactéries alcalophiles vivent dans des milieux alcalins (vibrion cholérique..)

La pression osmotique

Elle correspond à la tolérance aux sels

– Les bactéries halophiles vivent en milieux hypertoniques, riches en NaCl – Les bactéries hyperhalophiles vivent en milieux très riches en NaCl (20-30%)

La pression partielle en oxygène

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Les bactéries qui ne supportent pas l'oxygène peuvent posséder une enzyme appelée la super oxyde dismutase (détruit oxygène) si elles n’ont pas cette enzyme les bactéries sont dites anaérobie stricte.

Comportement des bactéries face à l'oxygène :

L'oxygène peut être nécessaire à la bactérie : métabolisme aérobie appelé respirationL'oxygène peut ne pas être nécessaire : métabolisme de fermentation ou anaérobie

L'oxygène peut ne pas avoir de toxicité pour les bactéries – aérobies– aéroanaérobies facultatives– anaérobies possédant une superoxide dismutase (SOD) : aérotolérantes

L'oxygène peut avoir une toxicité pour les bactéries– anaérobies strictes (sans SOD)– microaérophiles

III. Croissance bactérienne

La croissance se fait par division binaire : la bactérie se multiplie par deux.La croissance est donc exponentielle et rapide.Le temps de croissance est varaible :

– Pseudomonas aeruginosa double sa population en 10 mn– Escherichia coli double sa population en 20 mn– Mycobacterium tuberculosis double sa population en 18 -27 h– Mycobacterium leprae double sa population en 10 -20 j

Les milieux de culture peuvent être solides ou liquides (bouillon)

Culture sur milieu solide : On utilise des Géloses nutritives, la durée de culture est >18h et on obtient des colonies visible à l'oeil nu

En fonction de l'utilisation on distingue trois types de milieux :

– Le milieu d' enrichissement– Le milieux d'isolement sur gélose ou sang : remuer la gélose pour isoler les colonies au centre de la

boite. Ces méthodes d’isolement peuvent être fait sur différents milieux

– Milieux d’identification : lactose positif ou négatif

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PARTIE 2 : Génétique bactérienneA. Introduction

Le génome bactérien a ses propres éléments de traduction. Dans ce génome les gènes sont organiser sous forme d’ilot d'opéron ou gènes de fonctions apparentées. Le réplicon ADN est composé d'un centre de réplication (ori), il est capable d'auto réplication. Il se compose du chromosome bactérien et des plasmides (ADN extra-chromosomique)

Le génome peut subir des variations génotypiques (génome) et phénotypiques (comportement de la bactérie)

B. Les variations génétiques par mutation

Les mutations sont spontanées ou provoquées par un agent mutagène.

Il y a des agent physiques (rayon X, UV..) et chimiques (agents intercalant) appelés agents mutagènes qui provoquent des mutations héréditaires (stables), brusques (discontinues), rares et indépendantes des caractères de la bactérie. Il faut qu’il y est deux mutations pour avoir deux caractères et la probabilité pour une bactérie de subir deux mutations simultanément est le produit des probabilités individuelles de ces mutations (traitement anti-tuberculeux)

A l'échelle moléculaire les modifications peuvent être :– La perte– L'addition– Le remplacement

Si il s'agit d'une base on parle de mutation ponctuelle, si il s'agit d'une séquence de bases, on parle de remaniement génomique.

Les mutations ponctuelles peuvent être des accidents de copie survenue au cours de la réplication de l'ADN, du remaniement ou de la réparation de L'ADN. Les différents types de mutation sont :

– Substitution– Deletion– Insertion– Inversion

Les remaniements génomiques sont une déléion ou insertion d'une séquence. La délétion est la suppression d'un ou plusieurs nucléotides dans la séquence primaire d'un acide nucléique. Ces mutations peuvent décaler le cadre de lecture et sont de grande longueur pouvant supprimer l'expression d'un ou plusieurs exons.L'insertion est l'addition d'un ou plusieurs nucléotides dans la séquence primaire d'un acide nucléique

C. Variations génétique par transfert de matériel génétique

C'est une transfert d'une information génétique dans une bactérie sous la forme d'un fragment d'ADN d'autre origine, on parle de transfert horizontale (NB : la transfert horizontal se fait entre individus d'une même génération au contraire du transfert vertical de mutations qui se fait d'une génération à la suivante)

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On distingue la transformation la conjugaison, la transduction et la transposition

– Transformation : l'ADN est libéré dans le milieu par lyse, il se fixe à la bactérie réceptrice et la pénètre (état de compétence) la bactérie réceptrice va ensuite intégrer l'ADN (exogénote) à son génome.

– Conjugaison : C'est un processus sexué de transfert de l'ADN par l' intervention du pilu F qui est un canal. Elle nécessite le contact entre deux bactéries de « sexe » différent. Le sexe est sous la dépendance du facteur F codant pour les pilis sexuels. La femelle est la bactérie réceptrice tandis que le mâle est la bactérie donneuse.

– Transduction : C'est un transfert par l'intervention des bactériophages qui piquent un gène d’une bactérie et l'incorpore à une bactérie réceptrice. Elle peut être localisée donc restreinte et spécifique (phage tempéré) ou généralisée (phage virulent) avec un transfert aléatoire de gènes.

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– Transposition : C'est l'intégration directe d'une séquence de gènes (de taille limitée) au sein d'un génome (chromosomique ou plasmidique), en l'absence d'homologie de séquence nucléotidique (recombinaison illégitime). Les gènes sont transposables et s'organisent en structures appelées transposons. Mais ils ne peuvent pas se répliquer

Le génome bactérien est donc doté d'une grande plasticité.

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Dédicace aux yeux plein de pitié de ma co stagiaire Héléna à la fin du cours !Dédicace à Mathou Paul et Jade pour votre soutien au cours de cette dure épreuve ;)

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