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Les Bactéries et l’Homme

De
150 pages

L'auteur est professeur de microbiologie à l’université de Poitiers. Dans un langage clair et accessible, il présente ici le monde extraordinaire des bactéries.
Ces organismes microscopiques, que l’homme a, dans un premier temps, considérés comme exclusivement nuisibles, représentent un monde bien plus complexe. Constituant plus de 80 % de la biomasse de la Terre, les bactéries possèdent de formidables capacités d’adaptation qui leur ont permis de coloniser tous les milieux, même les plus hostiles, et de survivre aux changements environnementaux qui n’ont pas manqué depuis leur apparition il y a 4,5 milliards d’années.
Tout en replaçant l’être humain à la place qui devrait être la sienne dans le monde vivant, Jean-Louis Fauchère analyse la relation que l’homme a établie avec les « microbes » depuis leur découverte. Bien qu’une infime partie des bactéries soient pathogènes, on sait aujourd’hui que la majorité d’entre elles sont utiles, voire indispensables à notre survie.


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Cet ouvrage a été composé par Edilivre
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Tél. : 01 41 62 14 40 – Fax : 01 41 62 14 50
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Tous droits de reproduction, d’adaptation et de traduction, intégrale ou partielle réservés pour tous pays.
ISBN numérique : 978-2-414-08364-0
© Edilivre, 2017
Première partie
Place des bactéries dans le monde vivant
Introduction
Les microbes (ou micro-organismes), c’est tout ce qui vit et qui n’est visible qu’au microscope. On inclut sous ce terme : les bactéries, les archae (voir plus loin) et certains champignons et algues microscopiques. Les bactéries constituent la majeure partie de ce qu’on nomme « les microbes » et c’est surtout à elles qu’est consacré ce livre.
Pourquoi s’intéresser aux bactéries ? Ces organismes si ténus dont on a du mal a admettre l’existence tant qu’on ne les a pas vues s’agiter sous un microscope. On ne s’est d’abord intéressé aux bactéries que dans la mesure où elles fournissaient une explication rationnelle aux maladies infectieuses. Il existe pourtant d’autres raisons, plus passionnantes, de s’y intéresser. Les maladies infectieuses ne sont que la partie émergée des relations qui nous lient au monde bactérien. Les microbes représentent plus de 80 % de la biomasse de la planète. C’est un fait qui devrait déjà forcer le respect. Ils colonisent tous les milieux, du fond des océans à l’air que nous respirons. L’apparente hostilité de certains milieux ne les rebute pas puisqu’on en trouve dans les cheminées volcaniques sous marines, sous les glaces des pôles et même dans les nuages (http://www.lemonde.fr/sciences/article/2013/01/24/les-microbes-peuple-des-nuages_1822292_1650684.html).
Les formes de vie les plus anciennes sont des microbes apparus sur terre il y a 4 à 4,5 milliards d’années. En 4,5 milliard d’années, les conditions de la planète ont radicalement changé plusieurs fois, ce qui implique, puisqu’ils sont toujours là, que les microbes des origines se sont adaptés plusieurs fois à des changements majeurs de l’environnement. Des changements parfois brutaux, responsables d’extinctions massives d’espèces dont la plus récente s’est accompagnée de la disparition des dinosaures. Nous craignons aujourd’hui l’augmentation de quelques degrés de la température moyenne du globe pour les cent prochaines années ? Ce n’est rien comparé aux modifications auxquelles a du faire face la vie microbienne au cours de son histoire. Et cela nous amène à une évidence, les bactéries sont ou sont devenues des êtres infiniment adaptables. Leurs stratégies d’adaptation sont elles différentes des nôtres ? Nous qui nous targuons de qualités d’adaptation exceptionnelles ?
Premiers habitants de la planète, parfaitement adaptés à tous les milieux terrestres, numériquement et pondéralement majoritaires, ancêtres reconnus de toute forme de vie, les microbes sont donc légitimement les véritables habitants de la planète terre. Les véritables terriens. Et nous alors ?… qui nous désignons par « les terriens » dans les romans de science fiction ? Nous, les hommes et aussi les animaux et les plantes et au delà, tous les eucaryotes ? Nous verrons que nous sommes obligés d’admettre n’être que des avatars du monde bactérien. Oui, mais en ce qui nous concerne, un avatar supérieur au modèle quand même !? Supérieurs ? Sur quels critères ? Nous y reviendrons.
Les microbes nous sont hostiles puisqu’ils provoquent des maladies. Il faut s’en ème débarrasser ! Cette idée qui prévalait encore dans la première moitié du 20 siècle a considérablement évolué. Nous verrons que la majorité des relations que nous avons avec les microbes, sont des relations de coopérations positives et qu’en réalité nous ne pourrions pas nous passer d’eux (je crois d’ailleurs que nous n’avons pas les moyens de les éliminer). Quant aux maladies bactériennes, quelle en est la signification biologique ? Quel est l’intérêt pour certaines bactéries de nous rendre malades ? Quels outils utilisent-elles pour cela ? Encore des questions ! Nous ne pourrons pas toujours donner les réponses mais posons déjà clairement les questions, et voyons les hypothèses qui sont avancées pour y répondre. Et pourquoi, au passage, ne pas formuler nos propres hypothèses ?
Dessine moi une bactérie…
Saint Exupéry aurait eu beaucoup moins de mal qu’avec le mouton car la forme des bactéries apparaît très simple et peu diversifiée. Regardons de plus près. D’abord en utilisant l’outil emblématique des microbiologistes : le microscope. Un microscope optique donne une image agrandie environ 1000 fois de l’objet observé. Avec le microscope électronique on passe à 100 000 fois cependant, les images restent décevantes pour les amateurs de fantastique car la plupart des bactéries sont des cellules uniques, sorte de sac de forme sphérique ou allongée, plus rarement spiralée avec quelques appendices externes dans certains cas. Leur taille ? Autour de 0,01mm. Donc, rien de bien spectaculaire. Le spectacle réside dans ce qu’elles sont capables de faire. Les techniques d’étude du monde bactérien vont au delà du microscope. L’analyse de la composition chimique de cellules bactériennes ou de leurs constituants,peutsefairegrâceauxtechniquesclassiquesdelabiochimie(centrifugationdifférentielle,chromatographie,électrophorèse, spectrographie de masse). Leur ADN peut être disséqué, par des robots qui nous donnent en quelques heures les séquences nucléiques de l’ensemble ou d’une partie de leur génome. Les données obtenues prises en charge par des outils bio-informatiques nous permettent de décrire ces micro-organismes, de les comparer entre eux et au reste du monde vivant, de prévoir leurs propriétés et de reconstituer leur histoire.
Les bactéries constituent à elles seules l’un des 3 domaines du monde vivant : le domaine des procaryotes. Les procaryotes sont des organismes constitués d’une seule cellule délimitée par une membrane de structure analogue à celles de toutes les cellules vivantes. La cellule bactérienne (figure 1) contient le plus souvent un seul chromosome circulaire et libre dans le cytoplasme, c’est-à-dire qu’il n’est pas inclus comme chez les eucaryotes dans une membrane nucléaire. Ce chromosome est constitué d’ADN et de protéines de structure, il est le support de l’information génétique et fonctionne selon les mêmes principes que ceux de tout le monde vivant. La cellule bactérienne contient aussi de nombreux ribosomes et de multiples systèmes enzymatiques qui sont en général associés à la partie interne de la membrane cellulaire. La cellule bactérienne est caractérisée par l’existence à l’extérieur de la membrane cellulaire, d’une seconde enveloppe nommée paroi. C’est un organe caractérisé par des molécules spécifiquement bactériennes comme le peptidoglycane. La paroi peut-être comparée à une sorte de filet semi-rigide, comme une « cote de maille », qui enveloppe l’ensemble de la cellule. C’est un organe essentiel qui non seulement joue un rôle de protection et de squelette externe mais participe aux échanges entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule. Plus à l’extérieur de la cellule, on peut trouver chez certaines bactéries, notamment les pathogènes, des structures de protection comme la capsule qui joue un rôle majeur dans la virulence en s’opposant aux défenses naturelles antibactériennes. Enfin beaucoup de bactéries possèdent à leur surface, divers appendices : les pili communs, sorte de poils protéiques formant autour de la cellule une « fourrure » qui joue un rôle clé dans son aptitude à se fixer sur des supports, les pili sexuels qui sont des organes de transfert d’ADN d’une cellule à l’autre et les flagelles qui sont des organes locomoteurs permettant aux bactéries qui en sont pourvues de se déplacer dans un milieux liquide ou semi-liquide.
Figure 1a : Vue schématique d’une cellule bactérienne (d’après Prescott L.M., Harley J.P., Klein D. A. Microbiology fifth edition McGraw-Hill (New York 2002).
Figure 1b : Cellules bactériennes vues au microscope optique (en haut) et au microscope électronique (en bas)
Classer et nommer les bactéries
Laconnaissance des choses périt par l’ignorance de leur nom. Classer et nommer a donc été une manie récurrente chez les scientifiques : «dis moi comment tu t’appelles et ou tu habites, je te dirai qui tu es et ce que tu fais ». Depuis Linné, toutes les choses vivantes ont un grand nom et un petit nom. C’est la nomenclature binomiale. Nommer implique de classer et la classification/nomenclature imaginée par Linné s’est imposée comme un standard pour l’ensemble du monde vivant. La science de la classification se nomme aussi « taxonomie ». Les unités de classement (les taxons), sont : le domaine, le règne, l’embranchement, la classe, l’ordre, la famille, le genre et l’espèce. L’espèce est considérée comme l’unité de référence. Deux êtres appartiennent à la même espèce s’ils possèdent une ressemblance génétique (une similitude) supérieure à 75 % ; ce qui signifie qu’ils sont issus d’un ancêtre commun relativement proche et qu’ils peuvent potentiellement recombiner leurs génomes pour avoir une descendance. Décrire et comprendre, le monde vivant c’est donc d’abord comparer les génomes des êtres qui le constituent. Pendant longtemps, la comparaison des individus à classer s’est faite sur des critèresphénotypiques en comparant non pas les génome eux-mêmes, difficiles d’accès, mais les caractères codés par ces génomes (morphologie, taille, constitution chimique, équipements enzymatiques…). En comparant un nombre suffisamment grand de caractères phénotypiques on peut pratiquement comparer les génomes qui les codent, c’est ce qu’on faisait avant l’essor des technologies moléculaires. Un critère très utilisé par les naturalistes était le critère d’interfécondité : «deux individus appartiennent à la même espèce s’ils peuvent se reproduire entre eux et engendrer une descendance fertile». Cela implique évidemment une proximité génétique. Les méthodes actuelles de taxonomie sont dites numériques. Elles combinent l’analyse des génomes des individus à classer avec le calcul de leur distance génétique grâce à des logiciels de bio-informatique. Les résultats de ces études permettent une représentation graphique habituellement sous forme dedendrogramme (figure 2). En utilisant des méthodes analogues, les espèces sont regroupées en genre, les genres en famille etc… Pour classer les bactéries, les méthodes de taxonomie numériques utilisant des données phénotypiques ou génotypiques sont très utilisées. Elles permettent d’aboutir à des classifications ditesphylogénétiques, c’est-à-dire basées sur la filiation des différents taxons les uns par rapport aux autres. Deux taxons sont d’autant plus proches qu’ils ont un ancêtre commun génétiquement proche de chacun d’eux. La classification phylogénétique permet donc de donner une image de l’histoire évolutive du monde vivant. Les caractères phénotypiques et génotypiques des espèces connues sont recensés et conservés dans des banques de données facilement accessibles qui sont des aides précieuses pour l’étude d’espèces nouvellement découvertes. Quand une espèce bactérienne a été définie, il faut lui donner un nom. La nomenclature binomiale de Linné continue d’être utilisée et on désigne, chaque espèce par une terminologie latine incluant son nom de genre (grammaticalement un nom) et son nom d’espèce (grammaticalement un adjectif). Escherichia colidésigne la bactérie décrite par Escherich (scientifique allemand) et qui habite dans le colon (coli).
Pour autant, la nature n’a pas inventé les espèces ni même aucun regroupement des êtres vivants. Il s’agit bien d’une démarche humaine qui nous permet d’étudier le monde vivant en utilisant notre manière humaine de penser qui est souvent différente de la réalité. Un mathématicien dirait que nous transformons les variations continues de la nature en variations discontinues ou discrètes. En fait, des bactéries parfois très éloignées les unes des autres dans notre classification peuvent néanmoins échanger de l’ADN et donner des recombinants. Ces phénomènes de recombinaison interspécifiques viennent troubler l’image du monde vivant que nous avions imaginée. La fameuse « barrière d’espèce » qui valide les classifications des autres êtres vivants est beaucoup moins évidente chez les bactéries. Peut-être ne faut-il pas voir le monde bactérien comme une collection d’espèces mais comme un continuum d’individus potentiellement capables d’échanger du matériel génétique. L’image qui tend à s’imposer est alors celle d’un monde bactérien constituant un organisme unique et gigantesque dont les cellules seraient séparées les unes des autres.
Figure 2 : Taxonomie numérique. Les données issues des comparaisons des souches 1,2, 3,4 et 5 sont traitées par des logiciels qui fournissent des pourcentages de similitude pour chaque couple de souche. Ces pourcentages servent à une construction graphique nommée dendrogramme dans laquelle chaque souche est reliée aux autres par des segments dont la longueur totale est proportionnelle à la similitude des souches qu’ils relient.
Dans cet exemple, les souches 1,2, 3 d’une part et 4,5 d’autre part peuvent être regroupées en deux espèces avec plus de 70 % de similitude. La souche 6 n’appartient à aucune de ces deux espèces.
Lemonde vivant est une famille à 3
Lesdonnées phylogénétiques permettent de classer les êtres vivants actuels dans 3 domaines : les procaryotes (comprenant exclusivement des bactéries), les eucaryotes et les archaebactéries (ou archées ou archaea) (figure 3). Les procaryotes sont unicellulaires. Ils ont une autonomie énergétique. Leur génome est constitué d’un chromosome unique en général circulaire et libre dans le cytoplasme sans membrane nucléaire. La différenciation cellulaire est exceptionnelle et la reproduction est asexuée, même si des échanges d’ADN sont fréquents entre cellules. Les eucaryotes sont formés d’une ou de plusieurs cellules. Chez les eucaryotes pluricellulaires, la différenciation et la spécialisation cellulaire sont très fréquentes. Les eucaryotes ont une autonomie énergétique et leur génome est fragmenté en plusieurs chromosomes inclus dans une membrane nucléaire, l’ensemble constituant le noyau de la cellule. Les cellules eucaryotes contiennent souvent de multiples organites qui résultent de phénomènes d’endosymbioseprocaryotes. En effet, beaucoup de ces organites sont de d’origine bactérienne. Les mitochondries par exemple sont d’anciennes bactéries qui se sont adaptées à la vie intracellulaire au point de s’être rendues indispensable puisque ce sont elles qui assurent la production de l’énergie cellulaire. Les chloroplastes sites de la synthèse chlorophyllienne sont d’anciennes bactéries chlorophylliennes, les lysosomes qui stockent des substances bactéricides impliquées dans les défenses naturelles antibactériennes sont également d’anciennes bactéries. Mitochondries, chloroplastes, lysosomes sont ce qu’on nomme des endosymbiotes c’est-à-dire des organismes qui vivent en symbiose avec un autre organisme. Dans ces cas particuliers, l’hôte est la cellule eucaryote et le symbiote est une bactérie hyper adaptée à la vie en symbiose au point de ne pouvoir vivre ailleurs et d’être devenu indispensable à l’hôte qu’elle « parasite ». Les endosymbiotes ont perdus les caractères qui leurs permettaient d’être autonome et ont développé un nombre restreint de fonctions qu’elles mettent au service de leur hôte. En retour, l’hôte leur assure la subsistance. La cellule eucaryote apparaît ainsi comme une sorte de poupée russe, une chimère, constituée d’éléments d’origine bactérienne assemblés. ème Les archeas (ou archaebactéries) constituent le 3 domaine du monde vivant. Les archeas sont aussi différentes des bactéries que des eucaryotes. Elles ont longtemps été vues comme des organismes essentiellement extrêmophiles présents notamment dans les sources chaudes volcaniques ou encore les lacs salés. Certaines archeas vivent effectivement dans des environnements extrêmes, où la température peut-être supérieure à 100°C...