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MICROBIOLOGIE 1. Le monde microbien
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: Le monde microbien Chapitre n°1 : Le monde microbien Chapitre n°1 : Le monde microbien : Le monde microbien Chapitre n°1 Chapitre n°1
La microbiologie est l’étude des organismes trop petits pour être vus à l’œil nu, les micro-organismes.
Leur taille est généralement inférieure à un millimètre : il doivent être observés au microscope
(photonique ou électronique) et cultivés dans des milieux permettant leur croissance et leur isolement. La
microbiologie est divisée en plusieurs branches, en fonction du type de « microbe » étudié (figure 1).
Figure 1 : les différentes branches de la microbiologie
Quelques repères historiques…
• Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723) observe et décrit en 1676 des micro-organismes grâce à
un microscope qu’il a lui-même construit. Il emploie le terme « animalcules » pour qualifier les
diverses formes présentes dans des échantillons d’eau, des décoctions de foin ou dans la salive.
• En 1798, Jenner introduit le vaccin contre la variole.
• En 1857, Louis Pasteur (1822-1895) démontre que la fermentation du sucre en acide lactique est
due à un micro-organisme. Il participe à la remise en cause de la théorie de la génération
spontanée (apparition d’organismes vivants à partir de matière non vivante).
• En 1876, Robert Koch (1843-1910) démontre que le charbon est dû à Bacillus anthracis. Il cultive
des bactéries sur de la gélatine, puis découvre l’agent de la tuberculose (le bacille de Koch :
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Mycobacterium tuberculosis). Les postulats de Koch sont publiés pour la première fois en 1884.
• En 1884, Hans Christian Gram (1853-1928) développe une technique de coloration qui est encore
aujourd’hui la plus utilisée dans l'étude et la classification des bactéries.
• La première édition du manuel de Bergey est publiée en 1923.
• En 1928, Griffith découvre la conjugaison bactérienne.
• En 1929, Fleming découvre la pénicilline.
• En 1952, Zinder et Lederberg découvrent la transduction généralisée.
• En 1961, Jacob et Monod proposent le modèle de l’opéron pour la régulation des gènes.
• En 1979, de l’insuline recombinante est synthétisée par Escherichia coli.
• En 1982, le vaccin contre l’hépatite B est obtenu par des techniques de génie génétique.
1. Classification des êtres vivants
1.1. L’arbre phylogénétique des êtres vivants (Figures 2 et 3)
Les êtres vivants peuvent être divisés en deux groupes :
•
les organismes procaryotes, dont l'organisation cellulaire est simple, c'est à dire sans noyau,
l'ADN portant l'information génétique est directement au contact du cytoplasme. Les bactéries
appartiennent à ce groupe ;
•
les organismes eucaryotes, dont l'organisation cellulaire comprend un noyau contenant
l'information génétique, portée par l'ADN des chromosomes.
Les procaryotes sont séparés en deux groupes très différents :
•
•
les eubactéries,
les archéobactéries.
Les eucaryotes sont eux-mêmes répartis dans trois règnes :
•
•
•
les champignons (Fungi),
les plantes (Plantae),
les animaux (Animalia).
Les organismes eucaryotes unicellulaires (« protistes ») suivent cette classification. Il s’agit :
• des algues unicellulaires, dont les cellules ressemblent aux cellules végétales,
• des protozoaires, dont les cellules ressemblent aux cellules animales,
• des levures, dont les cellules ressemblent aux cellules des champignons.
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Figure 2
Figure 3 : Arbre phylogénétique universel du vivant : représentation simplifiée établie à partir de l’étude comparative des ARNr 16S et 18S.
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Chez les virus, l’absence de structure cellulaire, de métabolisme et de croissance fait qu’on ne peut les
considérer comme des êtres-vivants.
1.2. Classification des eubactéries
La classification des bactéries a été profondément remaniée avec l’avènement des techniques de biologie
moléculaire. Les critères phénotypiques (aspect macroscopique des colonies, morphologie et structure
cellulaires, conditions de culture, caractères biochimiques, antigéniques…) sont progressivement
remplacés par des critères moléculaires (GC%, hybridation, étude des ARNr…).
La classification en deux divisions, bactéries Gram positives et bactéries Gram négatives, est
désormais obsolète (même si la coloration de Gram reste un élément fondamental du diagnostic au
laboratoire). Les eubactéries (domaine Bacteria) sont actuellement réparties en 23 phylums !
Le tableau ci-dessous, tout en séparant les bactéries Gram négatives et positives, donne la position
taxonomique des genres bactériens les plus connus. On constate que les mycoplasmes (Mycoplasma,
Ureaplasma), bactéries sans paroi, appartiennent aux Firmicutes (bactéries à « peau dure »).
BACTERIES GRAM NEGATIVES
BACTERIES GRAM POSITIVES
BXIII. Phylum Firmicutes 1. Clostridia Clostridium, Peptostreptococcus, Eubacterium 2. Mollicutes Mycoplasma, Ureaplasma, Erysipelothrix (?) 3. Bacilli
Bacillus, Listeria, Staphylococcus, Lactobacillus, Enterococcus, Leuconostoc, Streptococcus, Lactococcus
BXIV. Phylum Actinobacteria Actinomycetales Actinomyces, Micrococcus, Brevibacterium, Corynebacterium, Mycobacterium, Propionibacterium, Streptomyces
Bifidobacteriales Bifidobacterium, Gardnerella
BXII. Phylum Proteobacteria 1. Alphaproteobacteria Acetobacter, Rickettsia, Rhizobium, Bartenella, Brucella 2. Betaproteobacteria Burkholderia, Alcaligenes, Bordetella, Neisseria 3. Gammaproteobacteria Xanthomonas, Stenotrophomonas, Francisella, Legionella, Pseudomonas, Moraxella, Acinetobacter, Alteromonas, Vibrio, Enterobacteriaceae, Pasteurella, Haemophilus
4. Deltaproteobacteria
5. Epsilonproteobacteria
Campylobacter, Helicobacter
BXVI. Phylum Chlamydiae Chlamydia, Chlamydophila
BXVII. Phylum Spirochaetes Borrelia, Treponema, Leptosipra
BXX. Phylum Bacteroidetes
Bacteroides, Flavobacterium
BXXI. Phylum Fusobacteria Fusobacterium
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1.3. L’arbre phylogénétique des Procaryotes (Figure 4)
Figure 4 : Arbre phylogénétique des procaryotes
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1.4. Comparaison entre cellules eucaryote et procaryote
EUCARYOTES
PROCARYOTES
Figure 5
Figure 6
Présence d’un noyau limité par une
Pas de noyau, mais une région nucléaire diffuse
enveloppe nucléaire
(nucléoïde)
Plusieurs chromosomes linéaires (visibles au
Chromosome circulaire (en général unique)
moment de la division cellulaire)
ADN lié à des histones
ADN lié à des protéines basiques
Présence de mitochondries, de REG,
Pas de mitochondrie, de REG, d’appareil de
d’appareil de Golgi, de chloroplastes (chez
Golgi, de chloroplaste
les végétaux)
Ribosomes cytoplasmiques 80S
Ribosomes 70S
Absence de peptidoglycane dans les parois
Présence de peptidoglycane dans la paroi (chez
les eubactéries seulement)
2. Les microorganismes eucaryotes
2.1. Les microalgues
Les algues unicellulaires sont capables, comme les végétaux supérieurs, d'utiliser la lumière comme
source d'énergie. Elles sont autotrophes et pratiquent la photosynthèse, grâce à leurs pigments, dont le
plus important est la chlorophylle.
La classification des algues ne tient pas compte de leur caractère unicellulaire ou pluricellulaire : elle est
avant tout basée sur la composition en pigments.
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• Rhodophycophytes (Figure 7 : Porphyridium)
Les Rhodophycophytes ou « algues rouges » comportent quelques espèces unicellulaires immobiles mais
la plupart sont pluricellulaires. Ces algues contiennent de nombreux pigments (chlorophylles a et d,
caroténoïdes, phycoérythrine, phycocyanine, phycobilines), ce qui leur permet d’absorber la lumière,
même à plus de 100 mètres de profondeur ! Les algues rouges sont connues pour les polymères qu’elles
produisent (agar, carraghénanes…).
Figure 7 : photographie et structure de Porphyridium
• Pyrrophycophytes (Figure 8 : Alexandrium)
Les Pyrrophycophytes ou dinoflagellés sont des organismes des eaux douces, des eaux saumâtres et
marines tempérées et chaudes. Leurs pigments sont les chlorophylles a et c, carotènes et xanthophylles.
Ces algues possèdent deux flagelles et sont généralement entourées d'une thèque cellulosique. Il existe de
très nombreuses espèces de dinoflagellés, dont certaines sont luminescentes tandis que d’autres sont
toxiques (Dinophysis, Gymnodinium).
Figure 8 : photographies d’Alexandrium
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• Euglenophycophytes
Retrouvés principalement dans les eaux douces riches en matières organiques, les euglènes sont
également proches des protozoaires car certaines espèces sont capables de se nourrir par absorption de
molécules organiques voir même par phagocytose ! Ils possèdent un ou deux flagelles insérés dans un
réservoir, invaginé dans la cellule. Les espèces photosynthétiques contiennent des chlorophylles a et b, du
bêta-carotène et des xanthophylles.
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Figure 9 : photographie et structure d’une euglène
• Chrysophycophytes
Les diatomées (ou Bacillariophyceae) sont des Chrysophycophytes unicellulaires protégées par une
coque siliceuse (la frustule) et se déplacent par émission de mucus. Les diatomées forment la majeure
partie du plancton dans les mers froides et constituent donc les principaux producteurs primaires de ces
régions. Leurs pigments sont les chlorophylles a et c, caroténoïdes et xanthophylles.
Figure 10 : photographie d’une diatomée pennale
Figure 11 : Ochromonas
Figure 12 : Ochromonas (structure)
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Les Chrysophyceae (figures 11 et 12) sont surtout des algues d'eau douce. La plupart sont
photosynthétiques mais il existe quelques espèces dépourvues de chloroplastes. De nombreuses espèces
ont la possibilité de se nourrir de manière hétérotrophe. Ces algues possèdent un flagelle antérieur et un
flagelle postérieur.
• Chlorophycophytes
Les Chlorophycophytes ou « algues vertes » sont réparties dans de nombreux ordres. Les
Chlamydomonas (figure 13) sont mobiles grâce à deux flagelles identiques et possèdent un organite
sensible à la lumière, le stigma, localisé dans l’unique chloroplaste. Les pigments des algues vertes sont
les chlorophylles a et b, carotènes et xanthophylles
Figure 13 : photographies et structure de Chlamydomonas
2.2. Les protozoaires
Les protozoaires sont des organismes unicellulaires hétérotrophes, dont la structure est proche de celle
des cellules animales. Dépourvus de paroi, leur membrane plasmique est donc directement au contact du
milieu extérieur, dans lequel ils doivent puiser leurs nutriments. Les protozoaires sont extrêmement
diversifiés tant au niveau des structures cellulaires que du point vue écologique. La classification des
protozoaires est complexe. Seuls quatre groupes importants sont abordés ici.
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GROUPES
Exemples
Photographies
Rhizopodes
Entamoeba histolytica et E. coli,
Les amibes forment des
responsables de diarrhées et de
prolongements cytoplasmiques,
douleurs abdominales, suite à la
les pseudopodes, servant à la
consommation d'eau
locomotion et à la nutrition.
contaminée.
Flagellés
Trypanosoma, responsable de la
Ils possèdent un ou plusieurs
maladie du sommeil.
flagelles permettant leur
Leishmania, parasite
déplacement.
intracellulaire qui envahit
surtout les globules blancs et les
Figure 14 : Entamoeba histolytica
organes lymphoïdes (rate,
moëlle rouge, ganglions
lymphatiques).
Trichomonas vaginalis,
responsable d’infection
urogénitales (leucorrhées).
Giardia lamblia, parasite
intestinal responsable de
Figure 16 : Trypanosoma brucei
Figure 17 : Trichomonas vaginalis
Figure 15 : structure d’un flagellé
diarrhées.
Ciliés (ou « infusoires »)
Les paramécies occupent de
Les cellules sont recouvertes de
nombreux milieux, notamment
cils dont les battements
les eaux stagnantes. Ce sont de
permettent la locomotion,
grandes cellules (>150 µm) avec
apportent les particules
deux noyaux, (un petit et un
alimentaires et renouvellent le
grand). Balantidium coli est
dioxygène.
Sporozoaires
responsable de dysenterie.
Figure 18 : Paramecium caudatum
Plasmodium falciparum, agent
Ce sont des parasites
du paludisme.
intracellulaires, dont le cycle
Toxoplasma gondii, responsable
comprend plusieurs phases.
de la toxoplasmose.
(Pneumocystis carinii(cid:1) mycète ?)
Figure 19 : Plasmodium vivax
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2.3. Les champignons microscopiques
2.3.1. Morphologie et structure cellulaire
L’organisation cellulaire des champignons est appelée le thalle. Chez les champignons microscopiques,
le thalle peut être unicellulaire (levures) ou filamenteux (moisissures). Certaines levures sont toutefois
capables de former des structures filamenteuses (pseudomycélium) dans certaines conditions (figure 20).
Les levures ont une taille généralement comprise entre 10 et 50 µm. Leur forme peut être sphérique,
ovoïde, allongée, cylindrique… Leur thalle est dit lévuriforme.
Figure 20 : Morphologie des levures
La membrane plasmique, riche en ergostérol, est protégée par une paroi rigide et épaisse (figure 21)
constituée principalement de polyosides (dont la chitine, polymère de N-acétyl glucosamine).
Figure 21
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Le cytoplasme, de pH égal à 5, contient de nombreuses enzymes, des réserves (glycogène) et des
organites (figure 22) : réticulum endoplasmique (ER), appareil de Golgi (G) mitochondries (M), vacuoles
(Va) et ribosomes. Le noyau (N) contient 17 chromosomes chez Saccharomyces cerevisiae.
Figure 22 : Saccharomyces cerevisiae
Les moisissures sont pluricellulaires : les filaments, plus ou moins ramifiés, sont appelés hyphes.
L’ensemble des hyphes constitue le mycélium. Chez les Phycomycètes, les cellules ne sont pas séparées
par des cloisons transversales : le thalle est dit coenocytique (ou « siphonné »). Chez les Septomycètes,
le thalle est cloisonné (ou « septé »). Dans ce cas, des perforations assurent la communication entre les
cellules (figure 23).
Figure 23
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2.3.2. Classification
Les levures et les moisissures appartiennent au règne des Mycètes (Fungi). La classification est basée sur
le cloisonnement des hyphes et des caractères morphologiques observés lors de la reproduction sexuée
(tableau ci-dessous).
Classe
Myxomycètes
Oomycètes
Zygomycètes
Ascomycètes
Basidiomycètes
Deutéromycètes
(Fungi imperfecti)
Cloisonnement
Reproduction sexuée
Particularités / Exemples
non
non
non
oui
oui
oui
oui
moisissures visqueuses plasmodiales
oui (oospores)
Plamopara viticola (mildiou de la vigne)
oui (zygospores)
Mucorales : Mucor, Rhizopus, Absidia
oui
Saccharomyces, Kluyveromyces, Hansenula ;
(ascospores)
Neurospora, Aspergillus fumigatus, A. nidulans
oui
nombreux champignons macroscopiques :
(basidiospores)
Agaricus bisporus, Coprinus…
Absente
(ou inconnue)
Candida, Cryptococcus, Rhodothorula,
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Brettanomyces ; Geotrichum, Penicillium,
Aspergillus flavus, A. niger
2.3.3. Multiplication végétative
C’est un mode de reproduction asexué : elle est assurée par la production de spores qui se différencient à
partir de cellules végétatives.
Chez les levures, le bourgeonnement (figure 22) est le mode de division le plus fréquent. Après la
mitose, la cellule fille (plus petite que la cellule mère), se détache et laisse une cicatrice visible au
microscope électronique à balayage. La localisation du bourgeonnement varie selon les espèces (polaire,
latéral…). Chez certaines levures (Schizosaccharomyces), une cellule parentale se divise en deux cellules
filles par constriction centrale et formation d’une nouvelle paroi (scission : figure 24a).
Chez de nombreuses moisissures, la fragmentation des hyphes peut donner naissance à de nouveaux
individus. L’isolement de cellules par clivage de la paroi cellulaire permet la formation d’arthrosposres
ou thallospores (figure 24b).
La colonisation des milieux par les champignons est assurée par la production de spores de
dissémination :
• blastospores, produites par bourgeonnement de cellules mères végétatives d’un pseudomycélium (figure 24d) ;
•
•
chlamydospores, structures de résistance possédant une paroi épaisse (figure 24c) ;
sporangiospores, formées chez les Mucorales (Mucor, Absidia, Rhizopus) à l’intérieur d’une cellule végétative
différenciée, le sporange, et libérées par éclatement de ce « sac » lorsqu’il est mature (figure 24e) ;
•
conidiospores (ou conidies), produites à l’extrémité d’un conidiophore par des organes de fructification :
stérigmates chez Aspergillus, phialides chez Penicillium (figure 24f). Chez Fusarium, les spores sont pluricellulaires
(macroconidies : figure 24g).
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Figure 24 : reproduction asexuée et types de spores chez les Mycètes
2.3.4. Reproduction sexuée
La reproduction sexuée implique la fusion de deux cellules haploïdes à rôle de gamètes, et entraîne la
formation d’un zygote diploïde. Certaines espèces sont autofertilisantes et produisent des gamètes
sexuellement compatibles sur le même mycélium. Chez d’autres espèces, un croisement entre individus
différents (notés « + » et « – ») est nécessaire.
Chez les Mycètes, il y a souvent un décalage entre la fusion des cytoplasmes (plasmogamie) et la fusion
des noyaux (caryogamie). Il existe donc un stade dicaryote, dans lequel les cellules contiennent deux
noyaux haploïdes séparés, provenant de chacun des deux parents (figure 25).
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Figure 25
Exemple 1 : chez les Mucorales (Zygomycètes)
Les hyphes des Zygomycètes sont coenocytiques et contiennent de nombreux noyaux haploïdes. La reproduction sexuée
apparaît généralement si les conditions environnementales deviennent défavorables : elle intervient alors entre deux souches de
types sexués compatibles + et –. Des hyphes forment des projections appelées progamétanges, sous l’influence d’hormones
produites par chacun des deux partenaires. Les progamétanges murissent en gamétanges qui fusionnent pour former un zygote
dur à paroi épaisse appelé zygospore. Après une période de dormance plus ou moins longue, lorsque les conditions de
croissance deviennent favorables, la zygospore subit la méiose au moment de la germination (figure 26).
Figure 26
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Exemple 2 : chez les levures ascomycètes (figure 27)
Figure 27
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3. Les microorganismes procaryotes : les bactéries
3.1. Formes et groupements
La taille d’une bactérie est de l’ordre du micromètre (1 µm = 10-6 m). Les plus petites bactéries ont une
taille similaire à celle des plus grands virus tandis que les plus grandes atteignent la taille de certaines
algues unicellulaires. Quelques exemples :
- Mycoplasma pneumoniae
- Escherichia coli
0,2 µm
1 x 2 µm
- Treponema pallidum (Spirochète)
0,1 x 10 µm
- Oscillatoria (Cyanobactérie)
7 µm
Les bactéries les plus communes se présentent sous deux formes :
-
-
sphérique : il s’agit des coques (ou cocci) ;
cylindrique (en bâtonnet) : il s’agit des bacilles, les bacilles courts à extrémités arrondies sont
des coccobacilles.
Les spirochètes ont une forme spiralée, les actinomycètes sont filamenteux (comme le mycélium des
moisissures).
Selon leur mode de division, les espèces bactériennes forment des arrangements caractéristiques appelés
groupements, observables au microscope photonique, et utiles au laboratoire pour le diagnostic
(figure 28).
Figure 28 : formes et groupements chez les bactéries
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3.2. Structure cellulaire
Une cellule bactérienne est composée d’éléments constants, présents chez quasiment toutes les bactéries,
et d’éléments facultatifs, observés ou non en fonction des espèces (tableau ci-dessous et figure 29).
Les éléments constants
Les éléments facultatifs
Le chromosome bactérien (constitué d'ADN)
La spore (forme de résistance)
Le cytoplasme (le "liquide cellulaire")
La capsule (couche entourant la paroi)
Les ribosomes (présents dans le cytoplasme)
Les flagelles (permettant aux bactéries de se déplacer)
La membrane plasmique (délimitant la cellule) Les pili sexuels (intervenant dans la conjugaison)
La paroi (enveloppe rigide protégeant la cellule) Les fimbriae (rôle d’adhésion aux cellules de l'hôte)
Figure 29
3.2.1. La paroi
La coloration de Gram permet la mise en évidence de deux grands types de bactéries : les bactéries dites
« Gram positives » d’une part, les bactéries « Gram négatives » d’autre part. Les premières apparaissent
violettes au microscope photonique, colorées par le complexe violet de gentiane – lugol ; tandis que les
secondes apparaissent roses, car le violet combiné à l’iode à été éliminé par l’éthanol puis la fuchsine a
permis la contre coloration. Les constituants de la paroi déterminent le degré de perméabilité à l’éthanol
de la paroi. La microscopie électronique et l’analyse chimique ont permis de révéler l’architecture et la
composition des deux types de paroi (figure 30).
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Figure 30 : structure comparée des deux types de paroi bactérienne
La paroi des bactéries Gram positives est épaisse et homogène. Elle est constituée principalement de
peptidoglycane. Des polyosides, les acides teichoïques et lipoteichoïques (associés à la membrane
plasmique par liaison avec les glycolipides) traversent cette couche de peptidoglycane. D’autres
polyosides (polyoside C chez les streptocoques) ou des protéines (protéine M chez les streptocoques,
protéine A et récepteur du fibrinogène chez Staphylococcus aureus) peuvent être associés à la paroi.
La paroi des bactéries Gram négatives est plus complexe : une fine couche de peptidoglycane est
recouverte par une membrane externe. La lipoprotéine de Braun est liée au peptidoglycane par liaison
covalente d’un côté, elle est « enfouie » dans la membrane externe par son extrémité hydrophobe de
l’autre côté. La membrane externe est constituée d’une double couche de phospholipides, de
lipopolysaccharides (LPS) et de protéines (OMP : « outer membrane protein ») permettant le passage de
petites molécules, les porines. Le LPS correspond à l’endotoxine des bactéries Gram négatives.
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Le LPS est constitué de trois parties
(figure 31) :
- la chaîne latérale O, contenant
de nombreuses unités osidiques
répétées
et
déterminant
la
spécificité antigénique (antigène
O),
- le polysaccharide central (ou
« core »),
- le lipide A, enchâssé dans la
membrane externe et support de
la toxicité de la molécule.
Figure 31
Le constituant commun à toutes les parois des eubactéries est le peptidoglycane. C’est une
macromolécule constituée (figure 32) :
- d’un polymère de N-acétyl glucosamine (NAG) et d’acide N-acétyl muramique (NAM),
- de tétrapeptides reliés au polyoside par le NAM ;
- de ponts interpeptidiques reliant les tétrapeptides entre deux polyosides.
Figure 32
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Le peptidoglycane est synthétisé par des enzymes situées dans le cytoplasme, la membrane plasmique et
l’espace périplasmique. Certaines de ces enzymes, appelées protéines liant la pénicilline (PLP ou PBP),
sont la cible des antibiotiques de la famille des ββββ-lactamines (pénicillines et céphalosporines), qui
inhibent donc la synthèse du peptidoglycane. Les transpeptidases, qui assurent la réticulation entre les
chaînes, font partie des PLP.
Pour mettre en évidence les fonctions de la paroi, on peut utiliser le lysozyme pour détruire le
peptidoglycane (par hydrolyse au niveau liaisons ββββ-1,4 entre NAM et NAG). On obtient par ce
traitement des protoplastes avec des bactéries à Gram positif, des sphéroplastes avec des bactéries à
Gram négatif, lorsque les cellules sont placées dans des conditions isotoniques ou hypertoniques. Les
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protoplastes obtenus avec Bacillus subtilis (grand bacille Gram positif) sont globuleux : il ont perdu leur
forme. Placés dans un milieu hypotonique, les protoplastes sont rapidement détruits par lyse osmotique,
contrairement aux cellules pourvues d’une paroi. Cette expérience permet d’affirmer que la paroi
confère à la bactérie sa forme et sa résistance en milieu hypotonique.
La paroi possède également des propriétés antigéniques (Ag O du LPS, polyoside C, protéine M, acides
teichoïques…), contient des sites de fixation des bactériophages (virus bactériens)…
3.2.2. La capsule (figure 33)
L’observation au microscope photonique d’une suspension bactérienne en présence d’encre de Chine,
révèle chez certaines espèces (Streptococcus pneumoniae, Klebsiella sp., Bacillus anthracis, certaines
souches d’E. coli…) la présence d’un halo clair et brillant autour des cellules. Cette enveloppe
supplémentaire, si elle est dense et compacte, est appelée capsule. Chez les bacilles à Gram négatif, cela
se traduit macroscopiquement sur milieu solide par la formation de colonies de type M (« muqueux »).
La nature chimique de la capsule est généralement polyosidique : acides polyaldobioniques (ose + acide
uronique) chez le pneumocoque, polymère de glucose et de rhamnose chez Clostridium perfringens…
Chez les Bacillus par contre, la capsule est de nature polypeptidique (acide poly-D-glutamique chez B.
anthracis).
Figure 33
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La nature des constituants de la capsule (polyosides ou polypeptides) détermine la spécificité
antigénique d’une souche bactérienne, désignée par son sérotype (ou sérovar). Chez Streptococcus
pneumoniae, il existe 84 types capsulaires différents, les pathologies humaines étant généralement dues
au sérovars 19, 6, 23 et 14. Chez les entérobactéries capsulées (Klebsiella, E. coli), l’antigène capsulaire
est appelé Ag K. Chez certaines salmonelles (Salmonella Typhi, S. Paratyphi C et S. Dublin), il existe un
antigène de surface (ou « microcapsulaire ») dénommé Ag Vi, qui masque l’antigène O (il est donc
détruit par chauffage avant la recherche de l’antigène O).
Le pouvoir pathogène du pneumocoque est lié à la présence d’une capsule. En effet, l’injection de
pneumocoques capsulés à une souris entraîne une septicémie mortelle en 24 heures. La même expérience
avec des pneumocoques non capsulés n’entraîne pas d’infection. Cette différence de virulence s’explique
essentiellement par le fait que les bactéries capsulées résistent à la phagocytose (et à l’opsonisation).
D’autres fonctions sont attribuées à la capsule :
-
-
-
-
adhésion aux surfaces (milieux naturels et hôtes animaux) ;
résistance aux bactériophages ;
résistance à la dessiccation ;
résistance à certains agents antimicrobiens…
La couche S est une enveloppe polypeptidique plus fine que la capsule retrouvée chez certaines bactéries
à Gram positif (Bacillus) et à Gram négatif (Aeromonas). Ses rôles sont similaires à ceux de la capsule.
3.2.3. Les polymères extracellulaires
Les polymères extracellulaires (exopolysaccharides essentiellement) ne sont pas toujours organisés en
structure compacte comme pour la capsule. Ils peuvent prendre la forme d’un glycocalyx, pellicule qui
assure l’adhésion aux surfaces ou l’attachement entre bactéries (de la même espèce ou non) dans les
biofilms (plaque dentaire, bactéries intestinales, obstruction ou corrosion de conduits…). Les
exopolysaccharides bactériens ne restent pas toujours liés à la surface cellulaire, ils peuvent être libérés
dans le milieu environnant. Le tableau ci-dessous propose quelques applications industrielles de la
production de polymères microbiens.
Polymères
Micro-organismes producteur
Applications
Cellulose
Acetobacter xylinum
Production de membranes acoustiques
Curdlane (β-1,3 glucane)
Agrobacterium, Rhizobium
Gel alimentaire
Pullulane (α-D-glucane)
Aureobasidium pullulans
Film d’emballage alimentaire
Gellane
Xanthane
Dextrane
Variés
Sphingomonas paucimobilis
Agent gélifiant dans les produits cosmétiques
Xanthomonas campestris
Additif alimentaire
Leuconostoc mesenteroides
Agent défloculant pour l’industrie du papier
Lactococcus, Lactobacillus
Industrie laitière (viscosité du produit fermenté, prébiotiques)
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3.2.4. Les endospores (figure 34)
Certaines bactéries (Bacillus, Clostridium) sont capables de former une unité sphérique ou ovale, douée
d’une grande de résistance à des environnements hostiles. Les spores bactériennes sont relativement
difficiles à colorer, mais leur observation au microscope photonique est possible, lorsqu’elles sont encore
présentes dans les sporanges (cellule végétative dans laquelle la spore est formée) :
-
-
à l’état frais, la spore est fortement réfringente à l’intérieur de la cellule mère ;
après coloration de Gram, la spore apparaît incolore alors que le reste de la cellule est violet
(parfois rose, même chez les bacilles à Gram positif) ;
-
après coloration à chaud au vert de malachite puis contre coloration à la fuchsine, la spore est
verte alors que le reste de la cellule est rose.
La position de la spore dans le sporange peut être centrale, subterminale, ou terminale. Si le diamètre
de la spore est supérieur au diamètre de la cellule mère, la spore est dite déformante.
La microscopie électronique permet la révélation de l’ultrastructure de la spore : l’appareil nucléaire,
« baignant » dans le cytoplasme sporal, est protégé par plusieurs enveloppes :
-
-
-
-
-
la membrane plasmique ;
la paroi (constituée principalement de peptidoglycane) ;
le cortex, couche épaisse composée de peptidoglycane et de dipicolinate de calcium ;
les tuniques (interne et externe), de nature protéique, imperméables et résistantes ;
l’exosporium, couche externe non essentielle, composée de lipoprotéines.
Figure 34
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Les détails du cycle sporal sont donnés dans la figure 35. La sporulation, déclenchée par des facteurs
environnementaux (appauvrissement du milieu en nutriments, accumulation de substances défavorables
pour la croissance…), conduit à la formation d’une spore libre contenant un génome identique à celui de
la cellule mère mais dont les activités métaboliques sont « en sommeil » : la spore est dormante, jusqu’à
ce que les conditions redeviennent favorables. Cependant, le lever de la dormance n’intervient que si les
tuniques sporales sont partiellement rompues par un agent mécanique, physique ou chimique
(activation), afin de permettre la réhydratation de la spore (initiation).
Figure 35 : le cycle sporal
Les spores bactériennes sont pauvres en eau (seulement 15 à 20 % du poids de la spore, 80 % pour une
cellule végétative). Cet état déshydraté leur confère une grande résistance à la chaleur (les protéines et
les acides nucléiques résistent fortement à la dénaturation thermique dans ces conditions). Le dipicolinate
de calcium, présent dans le cortex, contribue à cette thermorésistance. Un chauffage prolongé à 100°C
est insuffisant pour éliminer les spores bactériennes. La destruction des spores de Clostridium botulinum
n’est obtenue qu’au bout de 20 minutes à 120°C avec la chaleur humide (10 minutes à 180°C avec la
chaleur sèche). La présence de spores de bactéries pathogènes (Clostridium botulinum, C. perfringens, C.
tetani, C. difficile, Bacillus cereus, B. anthracis) dans les hôpitaux ou les industries alimentaires pose
donc problème compte tenu des difficultés rencontrées pour les éliminer.
Les spores assurent la survie des bactéries face à d’autres traitements physiques ou chimiques : elles sont
capables de résister aux ultra-violets, aux rayons X, aux désinfectants, antiseptiques et antibiotiques… La
durée de vie d’une spore bactérienne est très longue : plusieurs dizaines à plusieurs centaines d’années !
Les endospores bactériennes, formes de résistance, ne doivent pas être confondues avec les spores des
moisissures ou des Actinomycètes (bactéries filamenteuses), qui sont des formes de dissémination.
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3.2.5. Les flagelles
De nombreuses bactéries sont mobiles car elles disposent d’un (ou plusieurs) appendice(s) locomoteur(s),
le(s) flagelle(s). Un flagelle, dont le diamètre est d’environ 20 nm et dont la longueur est comprise entre
10 et 20 µm, est constitué (figure 36) :
- d’un corps basal, lui même formé d’un axe central et de deux ou quatre anneaux reliés à la
membrane plasmique ou à la paroi ;
- d’un crochet ;
- d’un filament, structure cylindrique dont le constituant majeur est la flagelline, protéine de
30 000 à 60 000 Daltons.
Figure 36
Les flagelles ne sont pas directement visibles au microscope photonique car ils sont trop fins. Il est
nécessaire de les « épaissir » grâce à des techniques de coloration spéciales (technique de Leifson : acide
tannique + fuchsine). Le nombre et la localisation des flagelles permettent de distinguer plusieurs types
de ciliature (figure 37), dont la mise en évidence constitue parfois un critère d’identification important
(chez les bacilles à Gram négatif en particulier).
Figure 37
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L’examen microscopique à l’état frais (réalisé à partir d’une culture en milieu liquide) permet, en fonction
de la mobilité observée, de distinguer ciliature polaire (déplacement rectiligne et rapide avec des
changements de direction brusques) et ciliature péritriche (déplacement désordonné et rotations de la
bactérie sur elle même).
Pour fonctionner, un flagelle doit tourner comme l’hélice d’un bateau (d’où la nécessité de la présence du
crochet : des mutants ayant un flagelle