Bactéries - Bacteria

Bactéries
EscherichiaColi NIAID.jpg
Micrographie électronique à balayage de bâtonnets d' Escherichia coli
Classement scientifique e
Domaine: Bactéries
Phyla
Synonymes
Eubactéries

Les bactéries ( / b æ k t ɪər i ə / ( écouter )A propos de ce son , substantif bactéries , singulier bactérie ) sont omniprésents, la plupart des organismes sans vie comprenant souvent d'une cellule biologique . Ils constituent un vaste domaine de microorganismes procaryotes . Mesurant généralement quelques micromètres , les bactéries ont été parmi les premières formes de vie à apparaître sur Terre et sont présentes dans la plupart de ses habitats . Les bactéries habitent le sol, l'eau, les sources chaudes acides, les déchets radioactifs et la biosphère profonde de la croûte terrestre . Les bactéries sont vitales à de nombreuses étapes du cycle des nutriments en recyclant les nutriments tels que la fixation de l'azote de l' atmosphère . Le cycle des nutriments comprend la décomposition des cadavres ; les bactéries sont responsables de l' étape de putréfaction dans ce processus. Dans les communautés biologiques entourant les sources hydrothermales et les suintements froids , les bactéries extrêmophiles fournissent les nutriments nécessaires au maintien de la vie en convertissant les composés dissous, tels que le sulfure d'hydrogène et le méthane , en énergie. Les bactéries vivent également dans des relations symbiotiques et parasitaires avec les plantes et les animaux. La plupart des bactéries n'ont pas été caractérisées et de nombreuses espèces ne peuvent pas être cultivées en laboratoire. L'étude des bactéries est connue sous le nom de bactériologie , une branche de la microbiologie .

Les humains et la plupart des animaux sont porteurs de millions de bactéries. La plupart sont dans l' intestin , et il y en a beaucoup sur la peau. La plupart des bactéries présentes dans et sur le corps sont inoffensives ou rendues ainsi par les effets protecteurs du système immunitaire , bien que beaucoup soient bénéfiques , en particulier celles présentes dans l'intestin. Cependant, plusieurs espèces de bactéries sont pathogènes et provoquent des maladies infectieuses , notamment le choléra , la syphilis , la fièvre charbonneuse , la lèpre et la peste bubonique . Les maladies bactériennes mortelles les plus courantes sont les infections respiratoires . Les antibiotiques sont utilisés pour traiter les infections bactériennes et sont également utilisés dans l'agriculture, ce qui fait de la résistance aux antibiotiques un problème croissant. Les bactéries sont importantes dans le traitement des eaux usées et la décomposition des marées noires , la production de fromage et de yaourt par fermentation , la récupération de l'or, du palladium, du cuivre et d'autres métaux dans le secteur minier, ainsi que dans la biotechnologie , et la fabrication d'antibiotiques et autres produits chimiques.

Autrefois considérées comme des plantes constituant la classe des Schizomycètes ("champignons de fission"), les bactéries sont désormais classées parmi les procaryotes . Contrairement aux cellules animales et autres eucaryotes , les cellules bactériennes ne contiennent pas de noyau et abritent rarement des organites liés à la membrane . Bien que le terme bactérie inclue traditionnellement tous les procaryotes, la classification scientifique a changé après la découverte dans les années 1990 que les procaryotes sont constitués de deux groupes d'organismes très différents qui ont évolué à partir d'un ancien ancêtre commun . Ces domaines évolutifs sont appelés Bactéries et Archées .

Étymologie

Le mot bactérie est le pluriel du nouveau latin bacterium , qui est la latinisation du grec ancien βακτήριον ( baktḗrion ), diminutif de βακτηρία ( baktēría ), signifiant « bâton, canne », car les premiers à être découverts étaient des tiges- en forme .

Origine et évolution précoce

Arbre phylogénétique des Bactéries, Archaea et Eucarya . La ligne verticale en bas représente le dernier ancêtre commun universel .

Les ancêtres des bactéries étaient des micro-organismes unicellulaires qui ont été les premières formes de vie à apparaître sur Terre, il y a environ 4 milliards d'années. Pendant environ 3 milliards d'années, la plupart des organismes étaient microscopiques, et les bactéries et les archées étaient les formes de vie dominantes. Bien que des fossiles bactériens existent, tels que les stromatolites , leur manque de morphologie distinctive les empêche d'être utilisés pour examiner l'histoire de l'évolution bactérienne ou pour dater l'heure d'origine d'une espèce bactérienne particulière. Cependant, des séquences de gènes peuvent être utilisées pour reconstruire la phylogénie bactérienne , et ces études indiquent que les bactéries ont d'abord divergé de la lignée archée/eucaryote. L' ancêtre commun le plus récent des bactéries et des archées était probablement un hyperthermophile qui vivait il y a environ 2,5 à 3,2 milliards d'années. La première vie sur terre pourrait avoir été des bactéries il y a environ 3,22 milliards d'années.

Les bactéries étaient également impliquées dans la deuxième grande divergence évolutive, celle des archées et des eucaryotes. Ici, les eucaryotes résultaient de l'entrée d'anciennes bactéries dans des associations endosymbiotiques avec les ancêtres des cellules eucaryotes, qui étaient elles-mêmes peut-être liées aux archées. Cela impliquait l'engloutissement par les cellules proto-eucaryotes de symbiotes alphaprotéobactériens pour former soit des mitochondries, soit des hydrogénosomes , qui se trouvent encore dans tous les Eucarya connus (parfois sous une forme très réduite , par exemple dans d'anciens protozoaires "amitochondriaux"). Plus tard, certains eucaryotes qui contenaient déjà des mitochondries ont également englouti des organismes de type cyanobactérie , entraînant la formation de chloroplastes dans les algues et les plantes. C'est ce qu'on appelle l'endosymbiose primaire .

Habitat

Les bactéries sont omniprésentes, vivant dans tous les habitats possibles de la planète, y compris le sol, sous l'eau, au plus profond de la croûte terrestre et même dans des environnements aussi extrêmes que les sources chaudes acides et les déchets radioactifs. Il y a environ 2×10 30 bactéries sur Terre, formant une biomasse qui n'est dépassée que par les plantes. Ils sont abondants dans les lacs et les océans, dans la glace arctique et les sources géothermiques où ils fournissent les nutriments nécessaires au maintien de la vie en convertissant les composés dissous, tels que le sulfure d'hydrogène et le méthane, en énergie. Ils vivent sur et dans les plantes et les animaux. La plupart ne causent pas de maladies, sont bénéfiques pour leur environnement et sont essentiels à la vie. Le sol est une riche source de bactéries et quelques grammes en contiennent environ un milliard. Ils sont tous essentiels à l'écologie des sols, en décomposant les déchets toxiques et en recyclant les nutriments. On les retrouve même dans l'atmosphère et un mètre cube d'air contient une centaine de millions de cellules bactériennes. Les océans et les mers abritent environ 3 x 10 26 bactéries qui fournissent jusqu'à 50 % de l'oxygène que les humains respirent. Seulement environ 2% des espèces bactériennes ont été complètement étudiées.

Bactéries extrêmophiles
Habitat Espèce Référence
Froid (moins 15 °C Antarctique) Cryptoendolithes
Chaud ( geysers 70–100 °C ) Thermus aquatique
Rayonnement, 5M Rad Déinocoque radiodurans
Saline, 47% de sel ( Mer Morte , Grand Lac Salé ) plusieurs espèces ,
pH acide 3 plusieurs espèces
pH alcalin 12,8 Protéobactéries
Espace (6 ans sur un satellite de la NASA ) Bacillus subtilis
3,2 km sous terre plusieurs espèces
Haute pression ( Tranchée Mariana – 1200 atm ) Moritella, Shewanella et autres

Morphologie

un diagramme montrant la morphologie des bactéries
Les bactéries présentent de nombreuses morphologies et arrangements cellulaires

Les bactéries présentent une grande diversité de formes et de tailles. Les cellules bactériennes mesurent environ un dixième de la taille des cellules eucaryotes et mesurent généralement entre 0,5 et 5,0  micromètres de long. Cependant, quelques espèces sont visibles à l'œil nu, par exemple, Thiomargarita namibiensis mesure jusqu'à un demi-millimètre de long et Epulopiscium fishelsoni atteint 0,7 mm. Parmi les plus petites bactéries se trouvent des membres du genre Mycoplasma , qui ne mesurent que 0,3 micromètre, aussi petits que les plus gros virus . Certaines bactéries peuvent être encore plus petites, mais ces ultramicrobactéries ne sont pas bien étudiées.

La plupart des espèces bactériennes sont soit sphériques, appelées cocci ( singulier coccus , du grec kókkos , grain, graine), soit en forme de tige, appelées bacilles ( sing . bacillus, du latin baculus , bâton). Certaines bactéries, appelées vibrions , ont la forme de bâtonnets légèrement incurvés ou en forme de virgule ; d'autres peuvent être en forme de spirale, appelées spirilles , ou étroitement enroulées, appelées spirochètes . Un petit nombre d'autres formes inhabituelles ont été décrites, telles que les bactéries en forme d'étoile. Cette grande variété de formes est déterminée par la paroi cellulaire bactérienne et le cytosquelette , et est importante car elle peut influencer la capacité des bactéries à acquérir des nutriments, à se fixer aux surfaces, à nager dans les liquides et à échapper aux prédateurs .

La gamme de tailles représentées par les procaryotes (bactéries), par rapport à celles d'autres organismes et biomolécules .

De nombreuses espèces bactériennes existent simplement sous forme de cellules individuelles; d'autres s'associent selon des schémas caractéristiques : Neisseria forme des diploïdes (paires), les streptocoques forment des chaînes et les staphylocoques se regroupent en grappes de « grappes de raisin ». Les bactéries peuvent également se grouper pour former des structures multicellulaires plus grandes, telles que les filaments allongés des espèces Actinobacteria , les agrégats des espèces Myxobacteria et les hyphes complexes des espèces Streptomyces . Ces structures multicellulaires ne sont souvent observées que dans certaines conditions. Par exemple, lorsqu'elles sont privées d'acides aminés, les myxobactéries détectent les cellules environnantes dans un processus connu sous le nom de quorum sensing , migrent les unes vers les autres et s'agrègent pour former des fructifications jusqu'à 500 micromètres de long et contenant environ 100 000 cellules bactériennes. Dans ces organes de fructification, les bactéries effectuent des tâches distinctes ; par exemple, environ une cellule sur dix migre vers le haut d'un corps de fructification et se différencie en un état dormant spécialisé appelé myxospore, qui est plus résistant au dessèchement et à d'autres conditions environnementales défavorables.

Les bactéries s'attachent souvent aux surfaces et forment des agrégats denses appelés biofilms et des formations plus grandes appelées tapis microbiens . Ces biofilms et tapis peuvent aller de quelques micromètres d'épaisseur à un demi-mètre de profondeur et peuvent contenir plusieurs espèces de bactéries, de protistes et d'archées. Les bactéries vivant dans les biofilms présentent un arrangement complexe de cellules et de composants extracellulaires, formant des structures secondaires, telles que des microcolonies , à travers lesquelles il existe des réseaux de canaux pour permettre une meilleure diffusion des nutriments. Dans les environnements naturels, tels que le sol ou les surfaces des plantes, la majorité des bactéries sont liées aux surfaces dans les biofilms. Les biofilms sont également importants en médecine, car ces structures sont souvent présentes lors d'infections bactériennes chroniques ou d'infections de dispositifs médicaux implantés , et les bactéries protégées dans les biofilms sont beaucoup plus difficiles à tuer que les bactéries isolées individuelles.

Structure cellulaire

Cellule procaryote avec structure et parties
Structure et contenu d'un type Gram positif cellule bactérienne (voir par le fait que seule une membrane cellulaire est présente).

Structures intracellulaires

La cellule bactérienne est entourée d'une membrane cellulaire constituée principalement de phospholipides . Cette membrane renferme le contenu de la cellule et agit comme une barrière pour retenir les nutriments, les protéines et d'autres composants essentiels du cytoplasme à l'intérieur de la cellule. Contrairement aux cellules eucaryotes , les bactéries manquent généralement de grandes structures liées à la membrane dans leur cytoplasme, telles qu'un noyau , des mitochondries , des chloroplastes et les autres organites présents dans les cellules eucaryotes. Cependant, certaines bactéries ont des organites liés à des protéines dans le cytoplasme qui compartimentent des aspects du métabolisme bactérien, tels que le carboxysome . De plus, les bactéries ont un cytosquelette à plusieurs composants pour contrôler la localisation des protéines et des acides nucléiques dans la cellule et pour gérer le processus de division cellulaire .

De nombreuses réactions biochimiques importantes , telles que la production d'énergie, se produisent en raison de gradients de concentration à travers les membranes, créant une différence de potentiel analogue à une batterie. L'absence générale de membranes internes chez les bactéries signifie que ces réactions, telles que le transport d'électrons , se produisent à travers la membrane cellulaire entre le cytoplasme et l'extérieur de la cellule ou du périplasme . Cependant, dans de nombreuses bactéries photosynthétiques, la membrane plasmique est fortement pliée et remplit la majeure partie de la cellule avec des couches de membrane collectrice de lumière. Ces complexes collecteurs de lumière peuvent même former des structures lipidiques appelées chlorosomes dans les bactéries vertes sulfureuses .

Une micrographie électronique de cellules Halothiobacillus neapolitanus avec des carboxysomes à l' intérieur, avec des flèches soulignant les carboxysomes visibles. Les barres d'échelle indiquent 100 nm.

Les bactéries n'ont pas de noyau lié à la membrane et leur matériel génétique est généralement un seul chromosome bactérien circulaire d' ADN situé dans le cytoplasme dans un corps de forme irrégulière appelé nucléoïde . Le nucléoïde contient le chromosome avec ses protéines et son ARN associés . Comme tous les autres organismes , les bactéries contiennent des ribosomes pour la production de protéines, mais la structure du ribosome bactérien est différente de celle des eucaryotes et des archées.

Certaines bactéries produisent des granules de stockage de nutriments intracellulaires, tels que le glycogène , le polyphosphate , le soufre ou les polyhydroxyalcanoates . Les bactéries telles que les cyanobactéries photosynthétiques produisent des vacuoles gazeuses internes , qu'elles utilisent pour réguler leur flottabilité, leur permettant de monter ou de descendre dans les couches d'eau avec différentes intensités lumineuses et niveaux de nutriments.

Structures extracellulaires

Autour de l'extérieur de la membrane cellulaire se trouve la paroi cellulaire . Les parois des cellules bactériennes sont faites de peptidoglycane (également appelé murein), qui est fabriqué à partir de polysaccharides chaînes réticulées par des peptides contenant des D - amino acides . Les parois cellulaires bactériennes sont différentes des parois cellulaires des plantes et des champignons , qui sont respectivement constituées de cellulose et de chitine . La paroi cellulaire des bactéries est également distincte de celle des achées, qui ne contiennent pas de peptidoglycane. La paroi cellulaire est essentielle à la survie de nombreuses bactéries, et l'antibiotique pénicilline (produit par un champignon appelé Penicillium ) est capable de tuer les bactéries en inhibant une étape de la synthèse du peptidoglycane.

Il existe en gros deux types différents de paroi cellulaire chez les bactéries, qui classent les bactéries en bactéries Gram-positives et en bactéries Gram-négatives . Les noms proviennent de la réaction des cellules à la coloration de Gram , un test de longue date pour la classification des espèces bactériennes.

Les bactéries à Gram positif possèdent une paroi cellulaire épaisse contenant de nombreuses couches de peptidoglycane et d'acides teichoïques . En revanche, les bactéries Gram-négatives ont une paroi cellulaire relativement mince constituée de quelques couches de peptidoglycane entourées d'une seconde membrane lipidique contenant des lipopolysaccharides et des lipoprotéines . La plupart des bactéries ont la paroi cellulaire Gram-négative, et seuls les membres du groupe Firmicutes et les actinobactéries (auparavant connues sous le nom de bactéries Gram-positives à faible G+C et à haut G+C, respectivement) ont l'arrangement Gram-positif alternatif. Ces différences de structure peuvent produire des différences de sensibilité aux antibiotiques ; par exemple, la vancomycine ne peut tuer que les bactéries Gram-positives et est inefficace contre les agents pathogènes Gram-négatifs , tels que Haemophilus influenzae ou Pseudomonas aeruginosa . Certaines bactéries ont des structures de paroi cellulaire qui ne sont ni classiquement Gram-positives ni Gram-négatives. Cela inclut les bactéries cliniquement importantes telles que les mycobactéries qui ont une paroi cellulaire épaisse de peptidoglycane comme une bactérie Gram-positive, mais aussi une deuxième couche externe de lipides.

Dans de nombreuses bactéries, une couche S de molécules de protéines en réseau rigide recouvre l'extérieur de la cellule. Cette couche assure une protection chimique et physique de la surface cellulaire et peut agir comme une barrière de diffusion macromoléculaire . Les couches S ont des fonctions diverses et sont connues pour agir comme des facteurs de virulence chez les espèces Campylobacter et contiennent des enzymes de surface chez Bacillus stearothermophilus .

Helicobacter pylori micrographie électronique, montrant plusieurs flagelles sur la surface cellulaire
Helicobacter pylori micrographie électronique, montrant plusieurs flagelles sur la surface cellulaire

Les flagelles sont des structures protéiques rigides, d'environ 20 nanomètres de diamètre et jusqu'à 20 micromètres de longueur, qui sont utilisées pour la motilité . Les flagelles sont entraînés par l'énergie libérée par le transfert d' ions le long d'un gradient électrochimique à travers la membrane cellulaire.

Les fimbriae (parfois appelés « pili d'attachement ») sont de fins filaments de protéines, généralement de 2 à 10 nanomètres de diamètre et jusqu'à plusieurs micromètres de longueur. Ils sont répartis sur la surface de la cellule et ressemblent à des poils fins lorsqu'ils sont observés au microscope électronique . On pense que les fimbriae sont impliquées dans l'attachement à des surfaces solides ou à d'autres cellules, et sont essentielles à la virulence de certains agents pathogènes bactériens. Les pili ( sing . pilus) sont des appendices cellulaires, légèrement plus gros que les fimbriae, qui peuvent transférer du matériel génétique entre les cellules bactériennes dans un processus appelé conjugaison où ils sont appelés pili de conjugaison ou pili sexuels (voir génétique bactérienne, ci-dessous). Ils peuvent également générer des mouvements où ils sont appelés pili de type IV .

Le glycocalyx est produit par de nombreuses bactéries pour entourer leurs cellules, et sa complexité structurelle varie : allant d'une couche visqueuse désorganisée de substances polymères extracellulaires à une capsule hautement structurée . Ces structures peuvent protéger les cellules de l'engloutissement par les cellules eucaryotes telles que les macrophages (partie du système immunitaire humain ). Ils peuvent également agir comme des antigènes et être impliqués dans la reconnaissance cellulaire, ainsi que faciliter la fixation aux surfaces et la formation de biofilms.

L'assemblage de ces structures extracellulaires dépend des systèmes de sécrétion bactériens . Ceux-ci transfèrent des protéines du cytoplasme dans le périplasme ou dans l'environnement autour de la cellule. De nombreux types de systèmes de sécrétion sont connus et ces structures sont souvent essentielles à la virulence des agents pathogènes, elles sont donc intensément étudiées.

endospores

Anthrax teinté violet
Bacillus anthracis (coloré en violet) poussant dans le liquide céphalo-rachidien

Certains genres de bactéries Gram-positives, telles que Bacillus , Clostridium , Sporohalobacter , Anaerobacter et Heliobacterium , peuvent former des structures dormantes hautement résistantes appelées endospores . Les endospores se développent dans le cytoplasme de la cellule; généralement une seule endospore se développe dans chaque cellule. Chaque endospore contient un noyau d' ADN et de ribosomes entouré d'une couche de cortex et protégé par une couche rigide multicouche composée de peptidoglycane et d'une variété de protéines.

Les endospores ne présentent aucun métabolisme détectable et peuvent survivre à des stress physiques et chimiques extrêmes, tels que des niveaux élevés de lumière UV , de rayonnement gamma , de détergents , de désinfectants , de chaleur, de gel, de pression et de dessiccation . Dans cet état dormant, ces organismes peuvent rester viables pendant des millions d'années, et endospores même permettre aux bactéries de survivre à une exposition au vide et le rayonnement dans l' espace, peut - être des bactéries pourraient être distribués dans l' Univers par la poussière de l' espace , météoroïdes , astéroïdes , comètes , astéroïdes ou via une panspermie dirigée . Les bactéries formant des endospores peuvent également provoquer des maladies : par exemple, la fièvre charbonneuse peut être contractée par l'inhalation d' endospores de Bacillus anthracis , et la contamination de plaies profondes par des endospores de Clostridium tetani provoque le tétanos , qui, comme le botulisme, est causé par une toxine libérée par la bactérie qui croître à partir des spores. L'infection à Clostridioides difficile , qui est un problème dans les établissements de santé, est également causée par des bactéries sporulées.

Métabolisme

Les bactéries présentent une très grande variété de types métaboliques . La distribution des traits métaboliques au sein d'un groupe de bactéries a traditionnellement été utilisée pour définir leur taxonomie , mais ces traits ne correspondent souvent pas aux classifications génétiques modernes. Le métabolisme bactérien est classé en groupes nutritionnels sur la base de trois critères majeurs : la source d' énergie , les donneurs d'électrons utilisés et la source de carbone utilisée pour la croissance.

Les bactéries tirent leur énergie de la lumière en utilisant la photosynthèse (appelée phototrophie ), ou en décomposant des composés chimiques par oxydation (appelée chimiotrophie ). Les chimiotrophes utilisent des composés chimiques comme source d'énergie en transférant des électrons d'un donneur d'électrons donné à un accepteur d'électrons terminal dans une réaction redox . Cette réaction libère de l'énergie qui peut être utilisée pour stimuler le métabolisme. Les chimiotrophes sont en outre divisés par les types de composés qu'ils utilisent pour transférer des électrons. Les bactéries qui utilisent des composés inorganiques tels que l'hydrogène, le monoxyde de carbone ou l' ammoniac comme sources d'électrons sont appelées lithotrophes , tandis que celles qui utilisent des composés organiques sont appelées organotrophes . Les composés utilisés pour recevoir des électrons sont également utilisés pour classer les bactéries : les organismes aérobies utilisent l' oxygène comme accepteur d'électrons terminal, tandis que les organismes anaérobies utilisent d'autres composés tels que le nitrate , le sulfate ou le dioxyde de carbone.

De nombreuses bactéries tirent leur carbone d'autres carbones organiques , appelés hétérotrophie . D'autres comme les cyanobactéries et certaines bactéries violettes sont autotrophes , c'est-à-dire qu'elles obtiennent du carbone cellulaire en fixant le dioxyde de carbone . Dans des circonstances inhabituelles, le méthane gazeux peut être utilisé par les bactéries méthanotrophes à la fois comme source d' électrons et comme substrat pour l' anabolisme du carbone .

Types nutritionnels dans le métabolisme bactérien
Type nutritionnel Source d'énergie Source de carbone Exemples
 Phototrophes  Lumière du soleil  Composés organiques (photohétérotrophes) ou fixation du carbone (photoautotrophes)  Cyanobactéries , Bactéries vertes sulfureuses , Chloroflexi ou Bactéries violettes 
 Lithotrophes Composés inorganiques  Composés organiques (lithohétérotrophes) ou fixation du carbone (lithoautotrophes)  Thermodesulfobacteria , Hydrogenophilaceae , ou Nitrospirae 
 Organotrophes Composés organiques  Composés organiques (chimiohétérotrophes) ou fixation du carbone (chimioautotrophes)    Bacillus , Clostridium ou Enterobacteriaceae 

À bien des égards, le métabolisme bactérien fournit des traits qui sont utiles pour la stabilité écologique et pour la société humaine. Un exemple est que certaines bactéries appelées diazotrophes ont la capacité de fixer l'azote gazeux à l'aide de l'enzyme nitrogénase . Ce trait important pour l'environnement peut être trouvé dans les bactéries de la plupart des types métaboliques énumérés ci-dessus. Cela conduit aux processus écologiquement importants de dénitrification , de réduction des sulfates et d' acétogenèse , respectivement. Les processus métaboliques bactériens sont également importants dans les réponses biologiques à la pollution ; par exemple, les bactéries sulfato-réductrices sont en grande partie responsables de la production de formes hautement toxiques de mercure ( méthyl- et diméthylmercure ) dans l'environnement. Les anaérobies non respiratoires utilisent la fermentation pour générer de l'énergie et de l'énergie réductrice, sécrétant des sous-produits métaboliques (tels que l' éthanol dans le brassage) sous forme de déchets. Les anaérobies facultatifs peuvent basculer entre la fermentation et différents accepteurs terminaux d'électrons en fonction des conditions environnementales dans lesquelles ils se trouvent.

Croissance et reproduction

dessin montrant les processus de fission binaire, de mitose et de méiose
De nombreuses bactéries se reproduisent par fission binaire , qui est comparée à la mitose et à la méiose dans cette image.
Une culture de Salmonelle
Colonie d'E. coli
Une colonie d' Escherichia coli

Contrairement aux organismes multicellulaires, l'augmentation de la taille des cellules ( croissance cellulaire ) et la reproduction par division cellulaire sont étroitement liées chez les organismes unicellulaires. Les bactéries atteignent une taille fixe puis se reproduisent par fission binaire , une forme de reproduction asexuée . Dans des conditions optimales, les bactéries peuvent croître et se diviser extrêmement rapidement, et certaines populations bactériennes peuvent doubler aussi rapidement que toutes les 17 minutes. Dans la division cellulaire, deux cellules filles clones identiques sont produites. Certaines bactéries, tout en se reproduisant de manière asexuée, forment des structures de reproduction plus complexes qui aident à disperser les cellules filles nouvellement formées. Les exemples incluent la formation de fructifications par des myxobactéries et la formation d' hyphes aériens par des espèces de Streptomyces , ou le bourgeonnement. Le bourgeonnement implique une cellule formant une saillie qui se détache et produit une cellule fille.

En laboratoire, les bactéries sont généralement cultivées dans des milieux solides ou liquides. Les milieux de croissance solides , tels que les plaques de gélose , sont utilisés pour isoler les cultures pures d'une souche bactérienne. Cependant, les milieux de croissance liquides sont utilisés lorsque la mesure de la croissance ou de grands volumes de cellules est requise. La croissance dans les milieux liquides agités se produit sous la forme d'une suspension cellulaire uniforme, ce qui facilite la division et le transfert des cultures, bien qu'il soit difficile d'isoler des bactéries individuelles des milieux liquides. L'utilisation de milieux sélectifs (milieux avec des nutriments spécifiques ajoutés ou déficients, ou avec des antibiotiques ajoutés) peut aider à identifier des organismes spécifiques.

La plupart des techniques de laboratoire pour la croissance des bactéries utilisent des niveaux élevés de nutriments pour produire de grandes quantités de cellules à moindre coût et rapidement. Cependant, dans les environnements naturels, les nutriments sont limités, ce qui signifie que les bactéries ne peuvent pas continuer à se reproduire indéfiniment. Cette limitation en nutriments a conduit à l'évolution de différentes stratégies de croissance (voir la théorie de la sélection r/K ). Certains organismes peuvent croître extrêmement rapidement lorsque les nutriments deviennent disponibles, comme la formation de proliférations d' algues (et de cyanobactéries) qui se produisent souvent dans les lacs pendant l'été. D'autres organismes ont des adaptations aux environnements difficiles, comme la production de multiples antibiotiques par les streptomyces qui inhibent la croissance de micro-organismes concurrents. Dans la nature, de nombreux organismes vivent dans des communautés (par exemple, des biofilms ) qui peuvent permettre un apport accru de nutriments et une protection contre les stress environnementaux. Ces relations peuvent être essentielles à la croissance d'un organisme particulier ou d'un groupe d'organismes ( syntrophie ).

La croissance bactérienne suit quatre phases. Lorsqu'une population de bactéries pénètre pour la première fois dans un environnement riche en nutriments qui permet la croissance, les cellules doivent s'adapter à leur nouvel environnement. La première phase de croissance est la phase de latence , une période de croissance lente pendant laquelle les cellules s'adaptent à l'environnement riche en nutriments et se préparent à une croissance rapide. La phase de latence a des taux de biosynthèse élevés, car les protéines nécessaires à une croissance rapide sont produites. La deuxième phase de croissance est la phase logarithmique , également appelée phase exponentielle. La phase logarithmique est marquée par une croissance exponentielle rapide . La vitesse à laquelle les cellules se développent au cours de cette phase est connue sous le nom de taux de croissance ( k ), et le temps nécessaire pour que les cellules doublent est connu sous le nom de temps de génération ( g ). Pendant la phase logarithmique, les nutriments sont métabolisés à vitesse maximale jusqu'à ce que l'un des nutriments soit épuisé et commence à limiter la croissance. La troisième phase de croissance est la phase stationnaire et est causée par un épuisement des nutriments. Les cellules réduisent leur activité métabolique et consomment des protéines cellulaires non essentielles. La phase stationnaire est une transition d'une croissance rapide à un état de réponse au stress et il y a une expression accrue des gènes impliqués dans la réparation de l'ADN , le métabolisme des antioxydants et le transport des nutriments . La phase finale est la phase de mort où les bactéries manquent de nutriments et meurent.

La génétique

Image de microscopie à ions hélium montrant le phage T4 infectant E. coli . Certains des phages attachés ont des queues contractées indiquant qu'ils ont injecté leur ADN dans l'hôte. Les cellules bactériennes ont une largeur d'environ 0,5 µm.

La plupart des bactéries ont un seul chromosome circulaire dont la taille peut aller de 160 000 paires de bases seulement chez la bactérie endosymbiotique Carsonella ruddii à 12 200 000 paires de bases (12,2 Mbp) chez la bactérie du sol Sorangium cellulosum . Il existe de nombreuses exceptions à cela, par exemple certaines espèces de Streptomyces et de Borrelia contiennent un seul chromosome linéaire, tandis que certaines espèces de Vibrio contiennent plus d'un chromosome. Les bactéries peuvent également contenir des plasmides , de petites molécules d'ADN extra-chromosomiques qui peuvent contenir des gènes pour diverses fonctions utiles telles que la résistance aux antibiotiques , les capacités métaboliques ou divers facteurs de virulence .

Les génomes des bactéries codent généralement pour quelques centaines à quelques milliers de gènes. Les gènes dans les génomes bactériens sont généralement un seul tronçon continu d'ADN et bien que plusieurs types différents d' introns existent chez les bactéries, ceux-ci sont beaucoup plus rares que chez les eucaryotes.

Les bactéries, en tant qu'organismes asexués, héritent d'une copie identique des génomes des parents et sont clonales . Cependant, toutes les bactéries peuvent évoluer par sélection sur des modifications de leur matériel génétique ADN causées par des recombinaisons génétiques ou des mutations . Les mutations proviennent d'erreurs commises lors de la réplication de l'ADN ou d'une exposition à des mutagènes . Les taux de mutation varient considérablement entre les différentes espèces de bactéries et même entre les différents clones d'une même espèce de bactérie. Les changements génétiques dans les génomes bactériens proviennent soit d'une mutation aléatoire au cours de la réplication, soit d'une « mutation dirigée par le stress », où les gènes impliqués dans un processus particulier limitant la croissance ont un taux de mutation accru.

Certaines bactéries transfèrent également du matériel génétique entre les cellules. Cela peut se produire de trois manières principales. Premièrement, les bactéries peuvent absorber l'ADN exogène de leur environnement, dans un processus appelé transformation . De nombreuses bactéries peuvent naturellement absorber l'ADN de l'environnement, tandis que d'autres doivent être chimiquement modifiées afin de les inciter à absorber l'ADN. Le développement de la compétence dans la nature est généralement associé à des conditions environnementales stressantes et semble être une adaptation pour faciliter la réparation des dommages à l'ADN dans les cellules réceptrices. La deuxième façon dont les bactéries transfèrent du matériel génétique est par transduction , lorsque l'intégration d'un bactériophage introduit de l'ADN étranger dans le chromosome. De nombreux types de bactériophages existent, certains infectent et lysent simplement leurs bactéries hôtes , tandis que d'autres s'insèrent dans le chromosome bactérien. Les bactéries résistent à l'infection par les phages grâce à des systèmes de modification de restriction qui dégradent l'ADN étranger, et un système qui utilise des séquences CRISPR pour conserver des fragments des génomes de phages avec lesquels les bactéries ont été en contact dans le passé, ce qui leur permet de bloquer la réplication du virus via une forme d' interférence ARN . La troisième méthode de transfert de gènes est la conjugaison , par laquelle l'ADN est transféré par contact cellulaire direct. Dans des circonstances ordinaires, la transduction, la conjugaison et la transformation impliquent un transfert d'ADN entre des bactéries individuelles de la même espèce, mais parfois un transfert peut se produire entre des individus d'espèces bactériennes différentes et cela peut avoir des conséquences importantes, telles que le transfert de résistance aux antibiotiques. Dans de tels cas, l'acquisition de gènes à partir d'autres bactéries ou de l'environnement est appelée transfert horizontal de gènes et peut être courante dans des conditions naturelles.

Comportement

Mouvement

Micrographie électronique à transmission de Desulfovibrio vulgaris montrant un seul flagelle à une extrémité de la cellule. La barre d'échelle mesure 0,5 micromètre de long.

De nombreuses bactéries sont mobiles (capables de se déplacer) et le font à l'aide de divers mécanismes. Les plus étudiés d'entre eux sont les flagelles , de longs filaments qui sont entraînés par un moteur à la base pour générer un mouvement semblable à une hélice. Le flagelle bactérien est composé d'environ 20 protéines, avec environ 30 autres protéines nécessaires à sa régulation et à son assemblage. Le flagelle est une structure rotative entraînée par un moteur réversible à la base qui utilise le gradient électrochimique à travers la membrane pour l'alimentation.

Les différentes dispositions des flagelles bactériens : A-Monotrichous ; B-Lophotrichous; C-Amphitrichous ; D-Peritrichous

Les bactéries peuvent utiliser les flagelles de différentes manières pour générer différents types de mouvement. De nombreuses bactéries (comme E. coli ) ont deux modes de mouvement distincts : le mouvement vers l'avant (nage) et la culbute. Le tumbling leur permet de se réorienter et fait de leur mouvement une marche aléatoire en trois dimensions . Les espèces bactériennes diffèrent par le nombre et la disposition des flagelles à leur surface ; certains ont un seul flagelle ( monotriches ), un flagelle à chaque extrémité ( amphitriches ), des grappes de flagelles aux pôles de la cellule ( lophotrichous ), tandis que d'autres ont des flagelles répartis sur toute la surface de la cellule ( péritriches ). Les flagelles d'un groupe unique de bactéries, les spirochètes , se trouvent entre deux membranes dans l'espace périplasmique. Ils ont un corps hélicoïdal distinctif qui se tord lorsqu'il se déplace.

Deux autres types de mouvement bactérien sont appelés motilité de contraction qui repose sur une structure appelée pilus de type IV , et motilité de glissement , qui utilise d'autres mécanismes. Dans la motilité convulsive, le pilus en forme de tige s'étend hors de la cellule, lie un certain substrat, puis se rétracte, tirant la cellule vers l'avant.

Les bactéries mobiles sont attirées ou repoussées par certains stimuli dans des comportements appelés taxes : ceux-ci incluent la chimiotaxie , la phototaxie , les taxis énergétiques et la magnétotaxie . Dans un groupe particulier, les myxobactéries, des bactéries individuelles se déplacent ensemble pour former des vagues de cellules qui se différencient ensuite pour former des fructifications contenant des spores. Les myxobactéries ne se déplacent que sur des surfaces solides, contrairement à E. coli , qui est mobile dans les milieux liquides ou solides.

Plusieurs espèces de Listeria et de Shigella se déplacent à l'intérieur des cellules hôtes en usurpant le cytosquelette , qui est normalement utilisé pour déplacer les organites à l'intérieur de la cellule. En favorisant la polymérisation de l' actine à un pôle de leurs cellules, ils peuvent former une sorte de queue qui les pousse à travers le cytoplasme de la cellule hôte.

la communication

Quelques bactéries ont des systèmes chimiques qui génèrent de la lumière. Cette bioluminescence se produit souvent chez les bactéries qui vivent en association avec les poissons, et la lumière sert probablement à attirer les poissons ou d'autres grands animaux.

Les bactéries fonctionnent souvent comme des agrégats multicellulaires appelés biofilms , échangeant une variété de signaux moléculaires pour la communication intercellulaire et s'engageant dans un comportement multicellulaire coordonné.

Les avantages communs de la coopération multicellulaire comprennent une division cellulaire du travail, l'accès à des ressources qui ne peuvent pas être utilisées efficacement par des cellules individuelles, la défense collective contre les antagonistes et l'optimisation de la survie de la population en se différenciant en types cellulaires distincts. Par exemple, les bactéries présentes dans les biofilms peuvent avoir une résistance aux agents antibactériens plus de 500 fois supérieure à celle des bactéries "planctoniques" individuelles de la même espèce.

Un type de communication intercellulaire par un signal moléculaire est appelé quorum sensing , qui sert à déterminer s'il existe une densité de population locale suffisamment élevée pour qu'il soit productif d'investir dans des processus qui ne réussissent que si un grand nombre de personnes similaires les organismes se comportent de la même manière, comme en excrétant des enzymes digestives ou en émettant de la lumière

La détection du quorum permet aux bactéries de coordonner l'expression des gènes et leur permet de produire, de libérer et de détecter des auto - inducteurs ou des phéromones qui s'accumulent avec la croissance de la population cellulaire.

Classement et identification

bleuissement de Streptococcus mutans
Streptococcus mutans visualisé avec une coloration de Gram.
Arbre phylogénétique montrant la diversité des bactéries, par rapport à d'autres organismes. Ici, les bactéries sont représentées par trois supergroupes principaux : les ultramicrobactéries CPR , les Terrabactéries et les Gracilicutes selon des analyses génomiques récentes (2019).

La classification cherche à décrire la diversité des espèces bactériennes en nommant et en regroupant les organismes en fonction des similitudes. Les bactéries peuvent être classées sur la base de la structure cellulaire, du métabolisme cellulaire ou des différences dans les composants cellulaires, tels que l' ADN , les acides gras , les pigments, les antigènes et les quinones . Alors que ces schémas ont permis l'identification et la classification des souches bactériennes, il n'était pas clair si ces différences représentaient une variation entre des espèces distinctes ou entre des souches de la même espèce. Cette incertitude était due au manque de structures distinctives dans la plupart des bactéries, ainsi qu'au transfert latéral de gènes entre des espèces non apparentées. En raison du transfert latéral de gènes, certaines bactéries étroitement apparentées peuvent avoir des morphologies et des métabolismes très différents. Pour surmonter cette incertitude, la classification bactérienne moderne met l' accent sur la systématique moléculaire , en utilisant des techniques génétiques telles que la détermination du rapport guanine cytosine , l'hybridation génome-génome, ainsi que le séquençage de gènes qui n'ont pas subi de transfert latéral étendu de gènes, comme le gène ARNr . La classification des bactéries est déterminée par la publication dans l'International Journal of Systematic Bacteriology et le Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. Le Comité international de bactériologie systématique (ICSB) maintient des règles internationales pour la désignation des bactéries et des catégories taxonomiques et pour leur classement dans le Code international de nomenclature des bactéries .

Historiquement, les bactéries étaient considérées comme faisant partie des Plantae , le règne végétal, et étaient appelées "Schizomycètes" (champignons à fission). Pour cette raison, les bactéries collectives et autres micro-organismes d'un hôte sont souvent appelés "flore". Le terme « bactérie » était traditionnellement appliqué à tous les procaryotes microscopiques unicellulaires. Cependant, la systématique moléculaire a montré que la vie procaryote se compose de deux domaines distincts , appelés à l'origine Eubactéries et Archaebactéries, mais maintenant appelés Bactéries et Archaea qui ont évolué indépendamment d'un ancien ancêtre commun. Les archées et les eucaryotes sont plus étroitement liés les uns aux autres que l'un ou l'autre ne l'est avec les bactéries. Ces deux domaines, avec Eukarya, sont à la base du système à trois domaines , qui est actuellement le système de classification le plus utilisé en microbiologie. Cependant, en raison de l'introduction relativement récente de la systématique moléculaire et d'une augmentation rapide du nombre de séquences génomiques disponibles, la classification bactérienne reste un domaine en évolution et en expansion. Par exemple, Cavalier-Smith a soutenu que les archées et les eucaryotes ont évolué à partir de bactéries Gram-positives.

L'identification des bactéries en laboratoire est particulièrement pertinente en médecine , où le traitement correct est déterminé par l'espèce bactérienne à l'origine d'une infection. Par conséquent, la nécessité d'identifier les agents pathogènes humains a été une impulsion majeure pour le développement de techniques d'identification des bactéries.

La coloration de Gram , développée en 1884 par Hans Christian Gram , caractérise les bactéries en fonction des caractéristiques structurelles de leurs parois cellulaires. Les couches épaisses de peptidoglycane dans la paroi cellulaire "Gram-positive" se colorent en violet, tandis que la fine paroi cellulaire "Gram-négative" apparaît en rose. En combinant la morphologie et la coloration de Gram, la plupart des bactéries peuvent être classées comme appartenant à l'un des quatre groupes (cocci à Gram positif, bacilles à Gram positif, cocci à Gram négatif et bacilles à Gram négatif). Certains organismes sont mieux identifiés par des colorations autres que la coloration de Gram, en particulier les mycobactéries ou Nocardia , qui présentent une résistance aux acides sur Ziehl-Neelsen ou des colorations similaires. D'autres organismes peuvent devoir être identifiés par leur croissance dans des milieux spéciaux ou par d'autres techniques, telles que la sérologie .

Les techniques de culture sont conçues pour favoriser la croissance et identifier des bactéries particulières, tout en limitant la croissance des autres bactéries dans l'échantillon. Souvent, ces techniques sont conçues pour des spécimens spécifiques ; par exemple, un échantillon d' expectoration sera traité pour identifier les organismes qui causent la pneumonie , tandis que les échantillons de selles sont cultivés sur des milieux sélectifs pour identifier les organismes qui causent la diarrhée , tout en empêchant la croissance de bactéries non pathogènes. Les échantillons qui sont normalement stériles, tels que le sang , l' urine ou le liquide céphalo-rachidien , sont cultivés dans des conditions conçues pour développer tous les organismes possibles. Une fois qu'un organisme pathogène a été isolé, il peut être caractérisé par sa morphologie, ses schémas de croissance (comme la croissance aérobie ou anaérobie ), ses schémas d'hémolyse et sa coloration.

Comme pour la classification bactérienne, l'identification des bactéries utilise de plus en plus des méthodes moléculaires et la spectroscopie de masse . La plupart des bactéries n'ont pas été caractérisées et certaines espèces ne peuvent pas être cultivées en laboratoire. Les diagnostics utilisant des outils basés sur l'ADN, tels que la réaction en chaîne par polymérase , sont de plus en plus populaires en raison de leur spécificité et de leur rapidité, par rapport aux méthodes basées sur la culture. Ces méthodes permettent également la détection et l'identification de cellules « viables mais non cultivables » qui sont métaboliquement actives mais ne se divisent pas. Cependant, même en utilisant ces méthodes améliorées, le nombre total d'espèces bactériennes n'est pas connu et ne peut même pas être estimé avec certitude. Selon la classification actuelle, il existe un peu moins de 9 300 espèces connues de procaryotes, qui comprennent des bactéries et des archées ; mais les tentatives pour estimer le nombre réel de diversité bactérienne ont varié de 10 7 à 10 9 espèces totales - et même ces diverses estimations peuvent être erronées de plusieurs ordres de grandeur.

Interactions avec d'autres organismes

graphique montrant les infections bactériennes sur diverses parties du corps humain
Aperçu des infections bactériennes et des principales espèces impliquées.

Malgré leur apparente simplicité, les bactéries peuvent former des associations complexes avec d'autres organismes. Ces associations symbiotiques peuvent être divisées en parasitisme , mutualisme et commensalisme .

Commensaux

Le mot « commensalisme » est dérivé du mot « commensal », signifiant « manger à la même table » et toutes les plantes et tous les animaux sont colonisés par des bactéries commensales. Chez l'homme et d'autres animaux, des millions d'entre eux vivent sur la peau, les voies respiratoires, l'intestin et d'autres orifices. Appelées « flore normale » ou « commensales », ces bactéries ne causent généralement aucun mal mais peuvent envahir d'autres parties du corps et provoquer des infections. Escherichia coli est un commensal dans l'intestin humain, mais peut provoquer des infections des voies urinaires. De même, les streptocoques, qui font partie de la flore normale de la bouche humaine, peuvent provoquer des maladies cardiaques .

Prédateurs

Certaines espèces de bactéries tuent puis consomment d'autres micro-organismes, ces espèces sont appelées bactéries prédatrices . Ceux-ci incluent des organismes tels que Myxococcus xanthus , qui forme des essaims de cellules qui tuent et digèrent toutes les bactéries qu'ils rencontrent. D'autres prédateurs bactériens s'attachent à leurs proies pour les digérer et absorber les nutriments ou envahissent une autre cellule et se multiplient à l'intérieur du cytosol. On pense que ces bactéries prédatrices ont évolué à partir de saprophages qui ont consommé des micro-organismes morts, grâce à des adaptations qui leur ont permis de piéger et de tuer d'autres organismes.

Mutualistes

Certaines bactéries forment des associations spatiales étroites qui sont essentielles à leur survie. Une de ces associations mutualistes, appelée transfert d'hydrogène interspécifique, se produit entre des groupes de bactéries anaérobies qui consomment des acides organiques , tels que l'acide butyrique ou l'acide propionique , et produisent de l' hydrogène , et des archées méthanogènes qui consomment de l'hydrogène. Les bactéries de cette association sont incapables de consommer les acides organiques car cette réaction produit de l'hydrogène qui s'accumule dans leur environnement. Seule l'association intime avec les archées consommatrices d'hydrogène maintient la concentration en hydrogène suffisamment basse pour permettre aux bactéries de se développer.

Dans le sol, les micro-organismes qui résident dans la rhizosphère (une zone qui comprend la surface des racines et le sol qui adhère à la racine après une légère secousse) effectuent la fixation de l'azote , convertissant l'azote gazeux en composés azotés. Cela sert à fournir une forme d'azote facilement absorbable pour de nombreuses plantes, qui ne peuvent pas fixer l'azote elles-mêmes. De nombreuses autres bactéries sont présentes en tant que symbiotes chez l'homme et d'autres organismes. Par exemple, la présence de plus de 1000 espèces bactériennes dans la normale humaine flore intestinale des intestins peut contribuer à l' immunité intestin, synthétisent des vitamines , comme l' acide folique , la vitamine K et la biotine , convertir les sucres à l' acide lactique (voir Lactobacillus ), ainsi en tant qu'hydrates de carbone complexes non digestibles en fermentation . La présence de cette flore intestinale inhibe également la croissance de bactéries potentiellement pathogènes (généralement par exclusion compétitive ) et ces bactéries bénéfiques sont par conséquent vendues comme compléments alimentaires probiotiques .

Presque toute la vie animale dépend des bactéries pour leur survie, car seules les bactéries et certaines archées possèdent les gènes et les enzymes nécessaires pour synthétiser la vitamine B 12 , également connue sous le nom de cobalamine , et la fournir tout au long de la chaîne alimentaire. La vitamine B 12 est une vitamine hydrosoluble qui intervient dans le métabolisme de chaque cellule du corps humain. C'est un cofacteur dans la synthèse de l'ADN et dans le métabolisme des acides gras et des acides aminés . Elle est particulièrement importante dans le fonctionnement normal du système nerveux via son rôle dans la synthèse de la myéline .

Agents pathogènes

Micrographie électronique à balayage rehaussée de couleur de Salmonella typhimurium rouge dans des cellules humaines jaunes
Micrographie électronique à balayage rehaussée de couleur montrant Salmonella typhimurium (rouge) envahissant des cellules humaines en culture

Le corps est continuellement exposé à de nombreuses espèces de bactéries, y compris les commensales bénéfiques, qui se développent sur la peau et les muqueuses , et les saprophytes , qui se développent principalement dans le sol et dans les matières en décomposition . Le sang et les fluides tissulaires contiennent suffisamment de nutriments pour soutenir la croissance de nombreuses bactéries. L'organisme possède des mécanismes de défense qui lui permettent de résister à l'invasion microbienne de ses tissus et lui confèrent une immunité naturelle ou une résistance innée contre de nombreux micro-organismes . Contrairement à certains virus , les bactéries évoluent relativement lentement, de sorte que de nombreuses maladies bactériennes surviennent également chez d'autres animaux.

Si les bactéries forment une association parasitaire avec d'autres organismes, elles sont classées comme pathogènes. Les bactéries pathogènes sont une cause majeure de décès et de maladies humaines et provoquent des infections telles que le tétanos (causé par Clostridium tetani ), la fièvre typhoïde , la diphtérie , la syphilis , le choléra , les maladies d'origine alimentaire , la lèpre (causée par Micobacterium leprae) et la tuberculose (causée par Mycobacterium tuberculosis ). Une cause pathogène d'une maladie médicale connue ne peut être découverte que de nombreuses années plus tard, comme ce fut le cas avec Helicobacter pylori et l'ulcère gastroduodénal . Les maladies bactériennes sont également importantes en agriculture , les bactéries provoquant des taches foliaires , le feu bactérien et le flétrissement des plantes , ainsi que la maladie de Johne , la mammite , la salmonelle et la fièvre charbonneuse chez les animaux de ferme.

Micrographie au Gram de bactéries du vagin
Dans la vaginose bactérienne, les bactéries bénéfiques du vagin (en haut) sont déplacées par des agents pathogènes (en bas). Coloration de Gram.

Chaque espèce d'agent pathogène a un spectre caractéristique d'interactions avec ses hôtes humains . Certains organismes, tels que Staphylococcus ou Streptococcus , peuvent causer des infections de la peau, la pneumonie , la méningite et la septicémie , une approche systémique réponse inflammatoire produisant un choc , massif vasodilatation et la mort. Pourtant, ces organismes font également partie de la flore humaine normale et existent généralement sur la peau ou dans le nez sans causer aucune maladie. D'autres organismes provoquent invariablement des maladies chez l'homme, comme les Rickettsia , qui sont des parasites intracellulaires obligatoires capables de croître et de se reproduire uniquement dans les cellules d'autres organismes. Une espèce de Rickettsia cause le typhus , tandis qu'une autre cause la fièvre pourprée des montagnes Rocheuses . Chlamydia , un autre phylum de parasites intracellulaires obligatoires, contient des espèces qui peuvent provoquer une pneumonie ou une infection des voies urinaires et peuvent être impliquées dans les maladies coronariennes . Certaines espèces, telles que Pseudomonas aeruginosa , Burkholderia cenocepacia et Mycobacterium avium , sont des agents pathogènes opportunistes et provoquent des maladies principalement chez les personnes souffrant d' immunosuppression ou de mucoviscidose . Certaines bactéries produisent des toxines , qui provoquent des maladies. Ce sont des endotoxines , qui proviennent de cellules bactériennes brisées, et des exotoxines , qui sont produites par des bactéries et libérées dans l'environnement. La bactérie Clostridium botulinum par exemple, produit une puissante extoxine qui provoque la paralysie respiratoire et les salmonelles produisent une endotoxine qui provoque la gastro-entérite. Certaines exotoxines peuvent être converties en toxoïdes , qui sont utilisés comme vaccins pour prévenir la maladie.

Les infections bactériennes peuvent être traitées avec des antibiotiques , qui sont classés comme bactéricides si elles tuent les bactéries ou bactériostatiques si elles empêchent que la croissance bactérienne. Il existe de nombreux types d'antibiotiques, et chaque classe inhibe un processus différent chez l'agent pathogène de celui trouvé chez l'hôte. Un exemple de la façon dont les antibiotiques produisent une toxicité sélective sont le chloramphénicol et la puromycine , qui inhibent le ribosome bactérien , mais pas le ribosome eucaryote structurellement différent. Les antibiotiques sont utilisés à la fois dans le traitement des maladies humaines et dans l'élevage intensif pour favoriser la croissance animale, où ils peuvent contribuer au développement rapide de la résistance aux antibiotiques dans les populations bactériennes. Les infections peuvent être évitées par des mesures antiseptiques telles que la stérilisation de la peau avant de la percer avec l'aiguille d'une seringue, et par un entretien approprié des cathéters à demeure. Les instruments chirurgicaux et dentaires sont également stérilisés pour éviter la contamination par des bactéries. Les désinfectants tels que l' eau de Javel sont utilisés pour tuer les bactéries ou autres agents pathogènes sur les surfaces afin de prévenir la contamination et de réduire davantage le risque d'infection.

Importance dans la technologie et l'industrie

Les bactéries, souvent des bactéries lactiques , telles que les espèces Lactobacillus et Lactococcus , en combinaison avec des levures et des moisissures , sont utilisées depuis des milliers d'années dans la préparation d' aliments fermentés , tels que le fromage , les cornichons , la sauce soja , la choucroute , le vinaigre , le vin. et yaourt .

La capacité des bactéries à dégrader une variété de composés organiques est remarquable et a été utilisée dans le traitement des déchets et la biorestauration . Des bactéries capables de digérer les hydrocarbures du pétrole sont souvent utilisées pour nettoyer les déversements de pétrole . De l' engrais a été ajouté à certaines des plages de Prince William Sound dans le but de favoriser la croissance de ces bactéries naturelles après la marée noire de l' Exxon Valdez en 1989 . Ces efforts ont été efficaces sur les plages qui n'étaient pas trop couvertes de pétrole. Les bactéries sont également utilisées pour la bioremédiation des déchets industriels toxiques . Dans l' industrie chimique , les bactéries sont les plus importantes dans la production de produits chimiques énantiomériquement purs destinés à être utilisés comme produits pharmaceutiques ou agrochimiques .

Les bactéries peuvent également être utilisées à la place des pesticides dans la lutte biologique . Cela implique généralement Bacillus thuringiensis (également appelé BT), une bactérie à Gram positif vivant dans le sol. Des sous-espèces de cette bactérie sont utilisées comme insecticides spécifiques aux lépidoptères sous des noms commerciaux tels que Dipel et Thuricide. En raison de leur spécificité, ces pesticides sont considérés comme respectueux de l'environnement , avec peu ou pas d'effet sur les humains, la faune , les pollinisateurs et la plupart des autres insectes utiles .

En raison de leur capacité de croissance rapide et de la relative facilité avec laquelle elles peuvent être manipulées, les bactéries sont les chevaux de bataille des domaines de la biologie moléculaire , de la génétique et de la biochimie . En effectuant des mutations dans l'ADN bactérien et en examinant les phénotypes résultants, les scientifiques peuvent déterminer la fonction des gènes, des enzymes et des voies métaboliques chez les bactéries, puis appliquer ces connaissances à des organismes plus complexes. Cet objectif de comprendre la biochimie d'une cellule atteint son expression la plus complexe dans la synthèse d'énormes quantités de données cinétiques enzymatiques et d' expression génique dans des modèles mathématiques d'organismes entiers. Ceci est réalisable dans certaines bactéries bien étudiées, avec des modèles de métabolisme d' Escherichia coli actuellement produits et testés. Cette compréhension du métabolisme bactérien et de la génétique permet l'utilisation de la biotechnologie pour la bio-ingénierie des bactéries pour la production de protéines thérapeutiques, telles que l' insuline , les facteurs de croissance ou les anticorps .

En raison de leur importance pour la recherche en général, des échantillons de souches bactériennes sont isolés et conservés dans des Centres de Ressources Biologiques . Cela garantit la disponibilité de la souche pour les scientifiques du monde entier.

Histoire de la bactériologie

peinture d'Antonie van Leeuwenhoek, en robe et chemise à volants, avec stylo à encre et papier
Antonie van Leeuwenhoek , le premier microbiologiste et la première personne à observer des bactéries au microscope .

Les bactéries ont été observées pour la première fois par le microscopiste néerlandais Antonie van Leeuwenhoek en 1676, à l'aide d'un microscope à lentille unique de sa propre conception. Il a ensuite publié ses observations dans une série de lettres à la Royal Society de Londres . Les bactéries ont été la découverte microscopique la plus remarquable de Leeuwenhoek. Ils étaient juste à la limite de ce que ses simples lentilles pouvaient discerner et, dans l'un des hiatus les plus frappants de l'histoire de la science, personne d'autre ne les reverrait pendant plus d'un siècle. Ses observations comprenaient également des protozoaires qu'il appelait des animalcules , et ses découvertes ont été réexaminées à la lumière des découvertes plus récentes de la théorie cellulaire .

Christian Gottfried Ehrenberg a introduit le mot « bactérie » en 1828. En fait, son Bacterium était un genre qui contenait des bactéries en forme de bâtonnet non sporulées, par opposition à Bacillus , un genre de bactéries en forme de bâtonnet sporulées défini par Ehrenberg en 1835.

Louis Pasteur a démontré en 1859 que la croissance des micro-organismes provoque le processus de fermentation , et que cette croissance n'est pas due à une génération spontanée (les levures et moisissures , communément associées à la fermentation, ne sont pas des bactéries, mais plutôt des champignons ). Avec son contemporain Robert Koch , Pasteur a été l'un des premiers défenseurs de la théorie des germes de la maladie . Avant eux, Ignaz Semmelweis et Joseph Lister avaient compris l'importance des mains aseptisées dans le travail médical. Les idées de Semmelweis ont été rejetées et son livre sur le sujet condamné par la communauté médicale, mais après Lister, les médecins ont commencé à se désinfecter les mains dans les années 1870. Alors que Semmelweis, qui a commencé avec des règles sur le lavage des mains dans son hôpital dans les années 1840, a précédé la propagation des idées sur les germes eux-mêmes et a attribué les maladies à la « décomposition de la matière organique animale », Lister a été actif plus tard.

Robert Koch, pionnier de la microbiologie médicale, a travaillé sur le choléra , l' anthrax et la tuberculose . Dans ses recherches sur la tuberculose, Koch a finalement prouvé la théorie des germes, pour laquelle il a reçu un prix Nobel en 1905. Dans les postulats de Koch , il a défini des critères pour tester si un organisme est la cause d'une maladie , et ces postulats sont encore utilisés aujourd'hui.

On dit que Ferdinand Cohn est l'un des fondateurs de la bactériologie, étudiant les bactéries à partir de 1870. Cohn a été le premier à classer les bactéries en fonction de leur morphologie.

Bien que l'on sache au XIXe siècle que les bactéries sont à l'origine de nombreuses maladies, aucun traitement antibactérien efficace n'était disponible. En 1910, Paul Ehrlich a développé le premier antibiotique, en changeant les colorants qui ont coloré sélectivement Treponema pallidum - le spirochète qui cause la syphilis - en composés qui ont sélectivement tué l'agent pathogène. Ehrlich a reçu un prix Nobel en 1908 pour ses travaux sur l' immunologie et a été le pionnier de l'utilisation des colorants pour détecter et identifier les bactéries, ses travaux étant à la base de la coloration de Gram et de la coloration de Ziehl-Neelsen .

Un grand pas en avant dans l'étude des bactéries est intervenu en 1977 lorsque Carl Woese a reconnu que les archées ont une lignée distincte de descendance évolutive des bactéries. Cette nouvelle taxonomie phylogénétique dépendait du séquençage de l' ARN ribosomique 16S et divisait les procaryotes en deux domaines évolutifs, dans le cadre du système à trois domaines .

Voir également

Les références

Bibliographie

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Liens externes