J.P. Euzéby : Dictionnaire de Bactériologie Vétérinaire |
Créé le 21 janvier 2004
Morphologie et structure des bactéries (procaryotes)
Sommaire :
Place des bactéries dans le monde vivant
Paroi des bactéries à Gram positif
Paroi des bactéries à Gram négatif
Couche de surface cristalline ou couche S (S layer)
Eléments génétiques transposables
Place des bactéries dans le monde vivant
Depuis leur mise en évidence à la fin du XVIIème siècle par Anthonie van Leeuwenhoeck, la place des bactéries dans le monde vivant a beaucoup varié.
En 1866, E. Haeckel divise le monde vivant en trois règnes, le règne animal, le règne végétal et le règne des protistes qui rassemble les algues, les protozoaires, les champignons et les bactéries. En 1938, H.F. Copeland sépare le règne des bactéries (ou "Monera") de celui des protistes et en 1959, R.H. Whittaker individualise celui des champignons. La proposition de R.H. Whittaker (Animalia, Plantae, Fungi, Protista et "Monera") a été largement acceptée par la communauté scientifique. Ce schéma donnait le même rang taxonomique à ces cinq règnes alors que, les différences entre les "Monera" et les quatre autres règnes sont plus importantes que celles qui opposent Animalia, Plantae, Fungi et Protista.
Dès les années 1930, E. Chatton avait nettement opposé deux types de cellules au sein du monde vivant, la cellule eucaryotes dont le noyau est entouré d'une membrane et qui renferme un certain nombre d'organites cellulaires et la cellule procaryote dont le noyau ne possède pas de membrane et dont l'organisation est rudimentaire (tableau I).
Bien qu'ils soient incompatibles, les points de vue de E. Chatton et de R.H. Whittaker ont coexisté pendant longtemps.
En 1968, R.G.E. Murray formalise les propositions de E. Chatton et divise le monde vivant en deux règnes, celui des "Eucaryotae" et celui des "Procaryotae" (ou "Monera").
Au sein du règne des Procaryotae, N.E. Gibbons et R.G.E. Murray distinguaient 4 divisions :
. La division des "Gracilicutes" regroupant les bactéries dont la paroi a la structure des bactéries à Gram négatif.
. La division des "Firmicutes" corrig. regroupant les bactéries dont la paroi a la structure des bactéries à Gram positif.
. La division des "Tenericutes" rassemblant les bactéries dépourvues de paroi.
. La division des "Mendosicutes" correspondant aux archaebactéries.
Les progrès réalisés en biologie moléculaire ont montré que cette division en deux règnes était simpliste. Tous les organismes vivants ont un génome qui dérive de celui de leurs ancêtres mais, au cours du temps, des mutations apparaissent et s'accumulent. Cette accumulation de mutations permet de reconstruire l'histoire des organismes vivants en postulant que plus deux génomes sont semblables plus les organismes sont apparentés. Pour comparer des organismes très éloignés il faut comparer entre elles des séquences génétiques qui ont été conservées durant des centaines de millions d'années. Les gènes qui codent pour les ARN ribosomaux (ARNr) ont des fonctions universelles, ils sont présents chez tous les êtres vivants et ils ont une structure bien conservée car une modification structurale importante peut avoir des conséquences sur les synthèses protéiques (il existe même des portions d'ARNr dont la séquence est identique chez tous les êtres vivants). L'analyse des séquences des ARNr a permis à C.R. Woese de séparer tous les organismes vivants en trois grands groupes appelés domaines (ou empires) dont la séparation remonte à plus de 2 milliards d'années : le domaine des "Bacteria" (ou "Eubacteria"), le domaine des "Archaea" (ou "Archaeobacteria") et le domaine des Eucarya.
Les procaryotes se répartissent au sein des domaines des "Bacteria" et des "Archaea". Les analyses phylogénétiques basées sur les séquences des protéines conservées montrent que les "Archaea" sont plus proches des "Eucarya" que des "Bacteria". Quelques différences entre les "Bacteria" et les "Archaea" sont données dans le tableau II.
Les bactéries d'intérêt médical et vétérinaire se recrutent au sein du domaine des "Bacteria". Pour des raisons pratiques et didactiques, on peut diviser le domaine des "Bacteria" en trois grands groupes. Les procaryotes à Gram négatif pourvus d'une paroi, les procaryotes à Gram positif pourvus d'une paroi et les procaryotes dépourvus de paroi.
L'étude de la morphologie bactérienne est le premier acte effectué par un laboratoire de diagnostic et elle est réalisée plusieurs fois au cours de l'identification d'une bactérie car elle est suffisamment spécifique pour permettre une orientation préliminaire du diagnostic et elle permet de vérifier la pureté d'une souche, préalable obligatoire à une identification. Les morphologies les plus typiques sont observées dans des cultures jeunes effectuées en milieu liquide.
Trois critères sont pris en compte : la taille, la forme et le mode d'assemblage.
La taille s'exprime le plus souvent en micromètres (mm) et elle est excessivement variable au sein du monde bactérien.
. Les plus petites bactéries ont une taille de 0,1 à 0,2 mm (Chlamydiales, Haemobartonella, certains mycoplasmes, certains tréponèmes...) alors que les Achromatium sp. et les Macromonas sp. ont un diamètre supérieur à 10 µm.
. Thiomargarita namibiensis (la perle de souffre de Namibie) est la plus grosse bactérie jamais décrite. Les cellules ont une forme sphérique et leur diamètre moyen varie de 0,1 à 0,3 mm. Toutefois, certaines cellules ont un diamètre pouvant atteindre 0,75 mm si bien que Thiomargarita namibiensis est visible à l'oeil nu. Le cytoplasme de cette bactérie est réduit à une couche étroite entourant une vacuole centrale contenant des nitrates.
. "Epulopiscium fishelsonii", vivant dans l'intestin des acanthures bruns (Acanthurus nigrofuscus) de la mer rouge, est une autre bactérie de grande taille puisque son diamètre peut atteindre 80 µm et sa longueur 600 µm. Son volume est un million de fois supérieur au volume d'une bactérie classique telle que Escherichia coli. Cette espèce présente également la particularité de se multiplier en donnant deux cellules filles d'abord incluses dans la cellule mère.
La forme est également extrêmement diverse au sein du monde bactérien. Si on excepte les bactéries dépourvues de paroi et qui peuvent être très polymorphes, la diversité est relativement restreinte pour les bactéries d'intérêt médical et vétérinaire. Parmi ces dernières, on distingue principalement des formes sphériques, cylindriques et spiralées.
. Une morphologie sphérique caractérise les coques qui peuvent être parfaitement sphériques (Staphylococcus sp.) ou présenter une face aplatie (Neisseria gonorrhoeae) ou légèrement ovoïdes (Enterococcus sp.), voire effilés en flamme de bougie (Streptococcus pneumoniae).
. Une morphologie cylindrique permet de définir des bacilles qui peuvent être droits ou incurvés ou ramifiés.
Les bacilles rectilignes sont retrouvés dans de nombreux genres bactériens. Ils peuvent avoir des extrémités arrondies (Enterobacteriaceae) ou être rectangulaires (Bacillus sp.) ou posséder une extrémité renflée (Corynebacterium sp.) ou posséder deux extrémités effilées (Fusobacterium sp.).
Les bacilles incurvés caractérisent certains genres comme les genres Vibrio, Campylobacter ou Arcobacter.
Les bacilles ramifiés (dont les ramifications peuvent être extrêmement discrètes et visibles uniquement à certains stades de la croissance) sont nombreux au sein de l'ordre des Actinomycetales.
. Les formes spiralées caractérisent les Spirochaetales mais aussi d'autres genres comme les genres Helicobacter, Spirillum, Aquaspirillum...
Le mode de groupement, à condition de l'apprécier sur une culture jeune effectuée en milieu liquide et à condition de tenir compte de l'aspect prédominant, est également un élément important pour orienter le diagnostic. Les streptocoques, les entérocoques et les lactocoques forment typiquement des chaînes, les staphylocoques des amas asymétriques (grappes), les sarcines des amas cubiques réguliers, les corynébactéries des palissades ou des paquets d'épingles, les listéries des palissades ou des groupement en V ou en L...
La morphologie bactérienne semble correspondre à une adaptation des bactéries à leur niche écologique. Les bactéries sphériques dont le rapport surface/volume est petit seraient avantagées dans des milieux riches en nutriments. Inversement, les bacilles, dont le rapport surface/volume est plus grand seraient mieux adaptés à une vie dans des milieux pauvres.
La forme pourrait aussi traduire la capacité des bactéries à se déplacer. D'une manière générale, les bactéries mobiles sont rarement des coques, les bactéries flagellées ou mobiles par glissement sont principalement des bacilles et une morphologie spiralée serait adaptée à un déplacement dans un environnement visqueux.
La structure fine des bactéries a été mise en évidence grâce à la microscopie électronique sur coupes ultrafines. Il est classique de distinguer des structures obligatoires, présentes chez toutes les bactéries et des structures dont la présence est facultative et caractérise des groupes bactériens (schéma 1).
Les composants obligatoires sont constitués par le cytoplasme qui a généralement une structure homogène et renferme essentiellement des ribosomes et parfois des éléments supplémentaires comme les substances de réserve ou les magnétosomes. Dans le cytoplasme, l'appareil nucléaire ("chromosome") a un aspect fibrillaire, il occupe une place importante et n'est pas entouré par une membrane. La membrane cytoplasmique entoure le cytoplasme et possède la structure classique avec deux feuillets phospholipidiques contenant des protéines. À l'extérieur de la membrane cytoplasmique on trouve très généralement la paroi dont la structure est variable selon les groupes de bactéries et qui forme une enveloppe rigide.
Les composant facultatifs sont des polymères de surface comme la capsule, des structures protéiques externes comme la couche S, des appendices comme les flagelles et les pili ou des structures génétiques comme les molécules d'ADN extrachromosomiques appelées plasmides et les éléments génétiques transposables (en fait de très nombreuses bactéries possèdent des plasmides et des éléments génétiques transposables). On peut également considérer comme une structure facultative les endospores qui caractérisent quelques genres bactériens et qui ne sont élaborées que lorsque les conditions de vie sont défavorables.
Le cytoplasme est un hydrogel colloïdal avec une phase dispersante composée de protéines et de sels minéraux et une phase dispersée formée de ribosomes, de diverses inclusions et parfois de magnétosomes.
Les ribosomes sont de petites granulations sphériques, de 20 à 30 nm de diamètre, contenant environ 66 p. cent d'ARN ribosomal (ARNr) et 33 p. cent de protéines et présents en grand nombre dans le cytoplasme (environ 18 000 chez Escherichia coli). Les ribosomes bactériens ont une constante de sédimentation de 70S et, en l'absence de magnésium, ils se dissocient en deux sous-unités. La petite sous-unité, de constante de sédimentation 30S, est constituée par de l'ARNr 16S et par 21 protéines. La grande sous-unité, de constante de sédimentation 50S, contient de l'ARNr 23S, de l'ARNr 5S et 31 protéines. Les ARNr forment le squelette de chaque sous-unité. Ils présentent des bases appariées responsables de structures secondaires en épingles à cheveux au niveau desquelles se fixent les protéines. Les ribosomes sont le lieu de traduction du message génétique en protéines.
Les inclusions renferment des matières organiques ou inorganiques constituant des substances de réserve.
. Les substances de réserve de nature polysaccharidique (amidon ou glycogène) se forment dans des milieux riches en sucres et pauvres en protéines. On trouve de telles inclusions dans les genres Acetobacter, Neisseria, Bacillus, Micrococcus, Arthrobacter, chez quelques clostridies et chez de nombreuses entérobactéries.
. Des lipides neutres et des esters d'acides gras à longues chaînes sont stockés dans des vacuoles chez les mycobactéries et les Nocardia sp.
. Le poly-bêta-hydroxybutyrate est formé chez des bactéries aéro-anaérobies (notamment chez les Vibrio sp.) en l'absence d'oxygène lorsque le métabolisme est fermentatif. En aérobiose, les bactéries utilisent ces réserves comme source de carbone et d'énergie au cours d'un métabolisme qui devient oxydatif. Des réserves de poly-bêta-hydroxybutyrate sont également présentes chez les Pseudomonas sp. et les microcoques.
. Les granulations métachromatiques (colorées par exemple en rouge pourpre par le bleu de toluidine) sont également appelées volutines car elles ont été primitivement décrites chez Spirillum volutans. Elles sont constituées de phosphates inorganiques et leur mise en évidence chez certaines bactéries pathogènes comme Corynebacterium diphtheriae était considérée comme un critère important d'identification.
. Le soufre, accumulé sous forme de globules, représente une source d'énergie chez des bactéries qui oxydent les composés réduits du soufre.
Les magnétosomes sont des particules magnétiques, visibles au microscope électronique, constituées de magnétite (Fe3O4) ou de greigite (Fe3S4) et entourées d'une membrane. Ces magnétosomes sont présents chez des bactéries mobiles, micro-aérophiles ou anaérobies et vivant dans les lacs, les étangs ou la mer (Aquaspirillum magnetotacticum = Magnetospirillum magnetotacticum, Magnetospirillum gryphiswaldense, "Candidatus magnetobacterium"...).
La présence de magnétosomes permet aux bactéries de s'orienter dans le champ magnétique. Les bactéries de l'hémisphère nord nagent vers le nord et celles de l'hémisphère sud vers le sud. Le champ magnétique n'est pas exactement parallèle à la surface mais il comporte une composante verticale. En orientant l'axe de la cellule le long des lignes du champ magnétique, ces bactéries mobiles tendent à nager vers le fond où se trouve la matière organique en décomposition et donc une nourriture abondante. Au niveau de l'équateur géomagnétique, le champ magnétique est horizontal et on trouve en quantité égale des bactéries de chaque polarité. La nage de ces bactéries ne leur permet plus d'atteindre le fond mais leur évite des excursions vers le haut des couches d'eau pauvres en nutriments et riches en oxygène.
Le plus souvent, l'appareil nucléaire est constitué d'un unique filament continu et circulaire formé d'une double chaîne d'ADN à laquelle semblent associées des protéines basiques comme la spermine. La longueur de la chaîne d'ADN est très grande (1 360 mm chez Escherichia coli) et elle est pelotonnée dans la cellule bactérienne. L'enroulement de l'ADN ne se fait pas au hasard. L'ADN est couvert dans certaines régions par de nombreux polysomes. En effet, l'ARNm s'associe aux ribosomes et forme des polysomes dès le début de sa synthèse, avant la fin de la transcription. L'étude en cinématographie de bactéries en croissance montre que la forme de l'appareil nucléaire change constamment et il existe un mouvement des gènes. Les gènes actifs ayant terminés leur transcription se replient à l'intérieur du chromosome alors que les gènes nouvellement déréprimés émergent vers l'interface appareil nucléaire - cytoplasme. La forme de l'appareil nucléaire reflète d'ailleurs l'activité de synthèse : l'ADN est très compact chez des bactéries en phase stationnaire et de forme irrégulière et découpée chez les bactéries en croissance. L'absence de membrane nucléaire conduit à parler d'appareil nucléaire ou de nucléoïde plutôt que de noyau.
Quelques espèces bactériennes possèdent deux appareils nucléaires de taille inégale. C'est le cas des Brucella spp. (à l'exception de Brucella suis biovar 3), des Leptospira spp. et de quelques espèces du genre Vibrio (Vibrio anguillarum, Vibrio cholerae, Vibrio fischeri, Vibrio fluvialis, Vibrio mimicus, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio vulnificus, ...).
Certaines bactéries (comme les Borrelia spp.) possèdent un chromosome linéaire dont les extrémités comprennent des séquences inverses répétées.
La membrane cytoplasmique est conforme au modèle unitaire. Elle contient principalement des phospholipides et des protéines ; les stérols sont absents sauf chez les mycoplasmes et il n'y a jamais de lécithine.
La membrane exerce de nombreuses fonctions grâce à de nombreuses enzymes qui lui sont associées : enzymes des chaînes respiratoires, perméases, ATPases, phosphotransférases, enzymes impliquées dans la synthèse de la paroi et des pili, ...
Les mésosomes ou structures membranaires intracytoplasmiques semblent être des artefacts résultant des techniques de fixation utilisées.
La paroi bactérienne existe chez toutes les espèces du domaine des "Bacteria" à l'exception des Mycoplasmatales. En revanche, chez les "Archaea", la présence d'une paroi est inconstante et lorsqu'elle existe, elle ne présente pas de peptidoglycane. Seule la paroi des "Bacteria" sera étudiée ci-dessous.
La paroi est une structure rigide et résistante qui entoure le cytoplasme et sa membrane. Elle protège la bactérie et lui donne sa forme. La paroi des Bacteria présente une structure variable selon les bactéries (schéma 2, schéma 3, tableau III) :
. Chez les bactéries à Gram positif, à l'exception des mycobactéries, sa structure apparaît homogène, son épaisseur varie de 10 à 80 nm, elle est riche en osamines mais pauvre en lipides (1 à 2 p. cent).
. Chez les bactéries à Gram négatif, sa structure est plus complexe, son épaisseur est de l'ordre de 10 nm, elle est riche en lipides (10 à 20 p. cent) et contient moins d'osamines.
. La différence de structure entre la paroi des bactéries à Gram positif et la paroi des bactéries à Gram négatif est à l'origine de la coloration de Gram (voir "Principe de la coloration de Gram").
Malgré ces variations structurales, la paroi des "Bacteria" présente une molécule originale, le peptidoglycane. Le peptidoglycane existe chez toutes les "Bacteria" pourvues d'une paroi à l'exception des représentants de l'ordre des Chlamydiales et de la classe des Planctomycea.
Le peptidoglycane forme autour de la cellule un filet à mailles plus ou moins serrées qui entoure la bactérie à la manière d'un sac. Ce réseau est composé de chaînes de glycanes reliées entre elles par des chaînons peptidiques (schéma 4).
La partie glycane est constituée de chaînes linéaires où alternent la N-acétylglucosamine et l'acide N-acétylmuramique qui est l'ester lactique de la N-acétyl glucosamine. Ces résidus, sous la forme pyranoside, sont liés par des liaisons bêta-1,4. La longueur des chaînes est variable et elles sont constituées de 20 à 100 résidus de N-acétylglucosamine. Chez les staphylocoques, le carbone en position 6 de l'acide muramique est acétylé ce qui confère à ces bactéries une résistance au lysozyme.
Les chaînons peptidiques sont constitués d'unités tétrapeptidiques et de ponts interpeptidiques :
. Les unités tétrapeptidiques s'attachent à l'acide N-acétylmuramique. Le premier acide aminé lié à l'acide muramique est la L-alanine ou plus rarement de la glycine ou de la L-sérine. L'acide D-glutamique constitue le deuxième acide aminé et il se fixe à la L-alanine par sa chaîne latérale. Le troisième acide aminé a une structure variable selon les espèces : L-lysine ou acide m-diaminopimélique ou L-ornithine ou acide LL-diaminopimélique ou acide L-diaminobutyrique ou L-homosérine ou acide L-glutamique ou L-alanine. Chez les bactéries à Gram négatif, l'acide aminé 3 est l'acide m-diaminopimélique à l'exception des spirochètes où il est remplacé par la L-ornithine. Chez les bactéries à Gram positif, la diversité est plus importante. Le dernier acide aminé est généralement la D-alanine.
. Les ponts interpeptidiques unissent entre elles les unités tétrapeptidiques. Ils s'établissent généralement entre le dernier acide aminé d'un tétrapeptide et le troisième acide aminé d'un tétrapeptide de la chaîne voisine (peptidoglycane de type A) mais ils peuvent parfois s'étendre entre le dernier acide aminé d'un tétrapeptide et le deuxième acide aminé d'un autre tétrapeptide (peptidoglycane de type B). Selon les espèces, il existe des variations importantes d'une part dans la nature des ponts interpeptidiques qui peuvent être constitués d'une simple liaison directe ou constitués d'un polypeptide de 1 à 6 acides aminés et d'autre part dans la fréquence avec laquelle les unités tétrapeptidiques sont reliées entre elles.
Le peptidoglycane présente donc des constituants originaux : l'hétéropolymère formant la partie glycane et des acides aminés non retrouvés dans les protéines (forme D, acide diaminopimélique, ...).
La structure du peptidoglycane est importante pour la taxonomie des bactéries à Gram positif et notamment des actinomycètes. Schleifer et Kandler (voir le fichier Classification des peptidoglycanes selon Schleifer et Kandler) ont proposé un système de classification des peptidoglycanes reposant sur la position des ponts interpeptidiques (type A ou B), sur la nature des ponts interpeptidiques (désignés par les chiffres 1, 2, 3, 4 ou 5) et sur la nature du troisième acide aminé des unités tétrapeptidiques (désignés par les lettres grecques a, b, g ou d). Un signe prime ' indique que le premier acide aminé est de la glycine ou de la sérine et non de l'alanine. Exemples :
. Staphylococcus aureus et Renibacterium salmoninarum possèdent un peptidoglycane du type A3a.
. Escherichia coli, les Brevibacterium sp., les Dermatophilus sp., les Mycobacterium sp. possèdent un peptidoglycane du type A1g.
. Les Arachnia sp. ont un peptidoglycane du type A3g'.
. Les Micromonospora sp. possèdent un peptidoglycane du type A1g'.
. Les Microbacterium sp. possèdent un peptidoglycane du type B1b.
. Les Erysipelothrix sp. ont un peptidoglycane du type B1d.
. Les Clavibacter sp. possèdent un peptidoglycane de type B2g.
Le peptidoglycane constitue une structure très rigide, c'est un véritable exo-squelette qui est responsable de la forme des bactéries et qui leur permet de résister à la forte pression osmotique intracytoplasmique. Une bactérie dont on a détruit le peptidoglycane, se gonfle puis éclate lorsqu'elle est placée dans de l'eau distillée. En revanche, une bactérie privée de peptidoglycane et placée dans un milieu dont la pression osmotique est supérieure ou égale à la pression du milieu intracellulaire ne se lyse pas mais elle prend une forme sphérique. Les bactéries à Gram positif dépourvues de peptidoglycane forment des sphères limitées par la seule membrane cytoplasmique et elles deviennent des protoplastes. Les bactéries à Gram négatif donnent des formes sphériques limitées par la membrane cytoplasmique et la membrane externe et elles deviennent des sphéroplastes. Les antibiotiques inhibant la biosynthèse du peptidoglycane (comme les bêta-lactamines) conduisent à la formation de protoplastes et de sphéroplastes. On connaît également des mutants dépourvus de paroi que l'on appelle des formes L. Les protoplastes, les sphéroplastes et les formes L peuvent se diviser et sont capables de reverser vers des formes bactériennes normales. Cette dernière caractéristique les oppose aux "Tenericutes" qui sont totalement dépourvus de paroi et incapables de donner naissance à des bactéries pourvues d'une paroi.
Le lysozyme (présent dans de nombreuses sécrétions) détruit les liaisons entre la N-acétylglucosamine et l'acide N-acétylmuramique et il constitue un moyen de défense non spécifique plus efficace chez les bactéries à Gram positif (sauf chez les staphylocoques) que chez les bactéries à Gram négatif. Chez Nocardia asteroides, les souches très virulentes possèdent une couche de peptidoglycane plus épaisse que les souches peu virulentes (épaisseur du peptidoglycane trois fois plus faible que chez les souches virulentes) et on estime que cette épaisseur importante conférerait aux souches virulentes une protection vis-à-vis du lysozyme.
Chez Staphylococcus aureus, le relargage de grandes quantités de peptidoglycane lors d'infections locales (abcès, infections articulaires) provoque un chimiotactisme des cellules phagocytaires et une libération de cytokines (IL-1, IL-6, IL-8 et TNFalpha) qui, en grande quantité, provoquent des lésions tissulaires et une hyperthermie.
Dans le genre Erysipelothrix, la structure antigénique du peptidoglycane permet de définir des sérovars : 15 pour Erysipelothrix rhusiopathiae (1a, 1b, 2, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 15, 16, 17, 19 et 21) et 7 pour Erysipelothrix tonsillarum (3, 7, 10, 14, 20, 22 et 23).
Paroi des bactéries à Gram positif (à l'exception des mycobactéries)
La paroi des bactéries à Gram positif est principalement constituée de peptidoglycane mais il s'y ajoute d'autres constituants (schéma 2).
Les acides teichoiques sont quantitativement le deuxième composant. Ce sont des polymères constitués d'unités glycéro-phosphate ou d'unité ribitol-phosphate ou d'unités plus complexes dans lesquelles le glycérol ou le ribitol sont associés à des sucres (glucose, galactose, ...). De plus, ils contiennent souvent de la D-alanine liée au glycérol ou au ribitol. Les acides téchoïques sont associés au réseau de peptidoglycane, ils atteignent la surface externe et constituent des antigènes importants.
Les acides lipotéchoïques, liés par des liaisons covalentes aux lipides de la membrane, traversent le peptidoglycane de part en part pour émerger à la surface.
De nombreux autres constituants sont également présents chez certaines espèces : protéines, polysaccharides... et ils peuvent jouer un rôle important dans les propriétés antigéniques ou dans le pouvoir pathogène. Exemples :
. De nombreuses espèces du genre Streptococcus possèdent des antigènes spécifiques situés dans la paroi et appelés composants C. Ce sont soit des polysaccharides soit des acides téchoïques et ils permettent de définir des groupes sérologiques. La classification de Lancefield en distingue 17 désignés par des lettres majuscules de A à H, de K à M et de O à T (l'antigène N n'est retrouvé que dans le genre Lactococcus). L'extraction des antigènes de groupe est réalisé par hydrolyse acide à chaud (technique de Lancefield), par la formamide à chaud (technique de Fuller), par l'acide nitreux ou par des techniques enzymatiques (enzymes extraites de Streptomyces albus). La caractérisation antigénique utilise des immunsérums spécifiques et commercialisés. Les principales techniques sont la précipitation en milieu liquide (ring test), la précipitation en milieu gélifié (électro immuno-diffusion double = électrosynérèse = contre immuno-électrophorèse), l'agglutination passive dans laquelle les immun-sérums sont fixés sur des souches de Staphylococcus aureus porteuses de protéine A ou sur des billes de latex.
La caractérisation de l'antigène de groupe a une importance capitale mais elle n'est pas le critère unique ni même le critère majeur de la classification et de l'identification des streptocoques. Ainsi, de nombreuses espèces sont dépourvues d'antigène de groupe, les souches d'une même espèce peuvent porter des antigènes différents (Streptococcus uberis, Streptococcus porcinus...), le même antigène peut être présent chez différentes espèces (antigène C, D, G, ...) et l'antigène D est retrouvé non seulement dans le genre Streptococcus mais encore dans les genres Enterococcus, Leuconostoc et Pediococcus. En définitive, seules quelques espèces (comme Streptococcus pyogenes ou Streptococcus agalactiae) portent un antigène de groupe véritablement spécifique.
. La protéine R, présente à la surface de Streptococcus agalactiae sous forme de filaments joue un rôle dans la virulence en favorisant la colonisation des épithéliums par un mécanisme différent de l'adhésion.
. La protéine M présente chez Streptococcus pyogenes, Streptococcus equi subsp. equi, Streptococcus equi subsp. zooepidemicus, Streptococcus equisimilis, Streptococcus canis et Streptococcus porcinus se présente sous la forme de fibrilles à la surface des bactéries. Elle intervient dans la virulence peut être en tant que récepteur pour le fragment Fc des immunoglobulines mais surtout en ayant une action antiphagocytaire par inhibition des C3 et C5 convertases des voies classique et alterne du système complémentaire (la protéine M fixe le facteur H et inhibe le dépôt de C3b sur la bactérie). Chez Streptococcus pyogenes et chez Streptococcus equi subsp. zooepidemicus, la protéine M présente, selon les souches, des variations antigéniques qui sont recherchées lors d'enquêtes épidémiologiques.
. La protéine A, rencontrée chez plus de 98 p. cent des souches de Staphylococcus aureus, est un récepteur pour le fragment Fc des immunoglobulines G et elle inhibe l'opsonisation. Des mutants dépourvus de protéine A sont moins virulents lors d'infections expérimentales effectuées chez la souris par voie sous-cutanée ou péritonéale ; en revanche aucune différence n'est notée lors d'infections intra-mammaires.
. Les protéines liant la fibronectine et les protéines liant le fibrinogène, décrites chez de nombreuses souches de staphylocoques, inhibent la phagocytose. Les protéines liant le fibrinogène, présentes chez Staphylococcus aureus, Staphylococcus intermedius et Staphylococcus hyicus convertissent le fibrinogène en fibrine et, comme la coagulase liée, sont responsables du clumping factor.
Les mycobactéries sont considérées comme des bactéries à Gram positif mais leur paroi a une structure très spéciale. Au microscope électronique, on distingue trois couches, une couche basale dense aux électrons de 3 à 13 nm d'épaisseur, une couche transparente aux électrons (ETL : électron transparent layer) de 8 nm d'épaisseur et une couche externe (OL : outer layer).
La couche basale est composée de peptidoglycane dans lequel l'acide N-glycosylmuramique remplace l'acide N-acétylmuramique. Au peptidoglycane est associé un polymère formé de l'alternance d'arabinose et de galactose, l'arabino-galactane.
La couche transparente aux électrons est composée d'acides mycoliques qui estérifient l'arabino-galactane. Les acides mycoliques sont de grosses molécules d'acides gras ramifiés dont la chaîne principale est en C50-C60 et les chaînes ramifiées en C24-C26.
La couche externe contient des sulfolipides, des phospholipides, du lipo-arabinomannane (composé d'un squelette d'unités D-mannose sur lequel se fixe de courtes chaînes latérales de mannose et d'arabinose et sur lesquelles se fixent des acides palmitiques et tuberculostéariques) et du mycolate de tréhalose (chaînes de tréhalose sur lesquelles sont fixées des acides mycoliques). En fait la structure de la couche externe est variable selon les espèces et, notamment, seules les souches virulentes possèdent du mycolate de tréhalose appelé également cord factor.
La structure particulière de la paroi des mycobactéries, très riche en lipide, explique, en grande partie, la résistance des mycobactéries à de nombreux antibiotiques (antibiotiques hydrophobes) qui ne peuvent atteindre leurs sites d'action.
Le rôle des composants pariétaux dans la virulence des mycobactéries a fait l'objet de nombreux travaux mais leur importance individuelle est encore mal comprise. Le cord factor inhibe le chimiotactisme des cellules phagocytaires et il est toxique pour les leucocytes. Les sulfolipides inhibent la fusion des phagosomes avec les lysosomes et évitent aux bactéries phagocytées l'action des enzymes hydrolytiques.
Les acides mycoliques constituent une barrière hydrophobe autour de la cellule s'opposant à l'action d'agents chimiques. Cette propriété est mise à profit dans la coloration de Ziehl-Neelsen et dans la décontamination des prélèvements.
. La coloration de Ziehl-Neelsen permet de caractériser l'acido-alcoolo-résistance des mycobacéries. Après avoir été coloré par la fuchsine, les mycobactéries ne peuvent pas être décolorées par de l'acide et de l'alcool et elles apparaissent de couleur rouge malgré l'utilisation, dans le dernier temps de la coloration, de bleu de méthylène. La coloration à l'auramine repose sur le même principe mais les lames sont examinées au microscope à fluorescence et les mycobactéries apparaissent vertes sur un fond rouge. L'acido-alcoolo-résistance est caractéristique du genre Mycobacterium même si, une acido-alcoolo-résistance relative est notée pour les espèces des genres Nocardia, Gordonia, Tsukamurella et Rhodococcus. Tous ces genres synthétisent d'ailleurs des acides mycoliques dont les chaînes sont généralement plus courtes que celles des mycobactéries.
. La décontamination des prélèvements est une nécessité lorsqu'ils contiennent des bactéries contaminantes. En effet, les mycobactéries pathogènes cultivent lentement sur des milieux spéciaux (à titre d'exemple, les colonies de Mycobacterium tuberculosis apparaissent en 10 à 15 jours, celles de Mycobacterium bovis en 20 à 40 jours et celles de Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis se développent entre 8 et 12 semaines, parfois plus) et leur culture peut être masquée par le développement plus rapide des bactéries contaminantes. Le choix du traitement des produits pathologiques est fonction de la nature du prélèvement. Les procédés proposés permettent d'une part la fluidification des produits visqueux et d'autre part l'élimination des germes associés sans porter atteinte à la viabilité des mycobactéries. Les principaux agents de décontamination sont l'acide sulfurique à 4 p. cent, l'acide oxalique à 5 p. cent, la soude à 4 p. cent, le lauryl sulfate de sodium, le chlorure de benzalkonium à 0,3 p. cent et le chlorure de cetylpyridinium. Le temps de contact entre le prélèvement et l'agent de décontamination est critique car la résistance des mycobactéries n'est pas absolue et l'action de ces agents doit toujours être suivie d'une phase de neutralisation.
Paroi des bactéries à Gram négatif
Au microscope électronique la paroi des bactéries à Gram négatif apparaît hétérogène et on distingue une couche interne et une couche externe ou membrane externe, séparées par un espace appelé espace périplasmique (schéma 3).
La couche interne contient du peptidoglycane qui recouvre la membrane cytoplasmique et dont la structure est comparable à celui des bactéries à Gram positif. Toutefois, il ne contient jamais d'acides téchoïques et il ne représente que 10 p. cent du poids de la paroi. Comme pour les bactéries à Gram positif, il est le squelette de l'enveloppe et il joue un rôle essentiel pour l'intégrité cellulaire.
L'espace périplasmique contient des lipoprotéines ou lipoprotéines de Braun qui relient la membrane externe au peptidoglycane et qui participent à la cohésion de la paroi. Elles sont constituées d'un polypeptide d'une soixantaine d'acides aminés portant à son extrémité N-terminale des constituants lipidiques. La partie lipidique est enchâssée dans la membrane externe par des liaisons hydrophobes et la partie polypeptidique est associée au peptidoglycane par des liaisons covalentes qui se forment avec les acides diaminopiméliques. Ces lipoprotéines sont quantitativement très importantes et certaines d'entre elles sont libres dans l'espace périplasmique.
L'espace périplasmique renferme des protéines qui fixent de nombreuses molécules (galactose, maltose, glutamine, ...) avant qu'elles ne puissent franchir la membrane cytoplasmique, il renferme des enzymes impliquées dans la synthèse du peptidoglycane (penicillin binding protein) et il séquestre de nombreuses protéines qui ne peuvent être excrétées (phosphatases, ribonucléases, bêta-lactamases, ...) ou qui ne seront libérées que de manière partielle (récemment, il a été montré que l'utilisation de fosfomycine qui altère la structure de la paroi, permet une libération de toxines VT plus importante et l'utilisation de cet antibiotique aggrave les infections dues à Escherichia coli O157:H7).
La couche externe est constituée d'une double couche phospholipidique dans laquelle flottent des lipopolysaccharides et des protéines.
Les lipopolysaccharides sont des molécules complexes jouant un rôle important dans les propriétés antigéniques (antigène O) et dans le pouvoir pathogène (endotoxine). Ils font l'objet d'une étude particulière, voir le fichier Lipopolysaccharides (antigènes O et endotoxines).
Les protéines de membrane externe sont nombreuses, elles peuvent être impliquées dans la virulence ou dans la perméabilité. Exemple de protéines de membrane externe impliquées dans la virulence :
. Certaines protéines de membrane externe sont des récepteurs spécifiques pour les complexes fer-sidérophore et permettent à la bactérie d'acquérir le fer indispensable à sa croissance.
. Certaines espèces appartenant aux genres Actinobacillus, Haemophilus, Moraxella, Neisseria, Pasteurella etc. sont aptes à acquérir le fer par un mécanisme ne faisant pas appel à des sidérophores. Lorsqu'elles sont cultivées dans des milieux carencés en fer, ces bactéries expriment au moins deux protéines de membrane externe désignées par les sigles Tbp 1 et Tbp 2 (Tbp : transferrin-binding protein). La protéine Tbp1 est une protéine transmembranaire et la protéine Tbp 2 est une lipoprotéine ancrée dans la membrane externe grâce à sa partie lipidique. Ces deux protéines semblent agir en synergie pour capter le fer lié à la transferrine puis la protéine Tbp1 permettrait le transport du fer au travers de la membrane suivi de sa fixation sur une protéine périplasmique.
. Yersinia enterocolitica et Yersinia pseudotuberculosis possèdent plusieurs protéines de membrane externe impliquées dans la virulence : l'invasine (protéine codée par le chromosome et qui se fixe sur les intégrines cellulaires) ; une protéine de 17 kD codée par un locus chromosomique retrouvé uniquement chez les souches pathogènes ; des protéines Yop (Yersinia outer membrane protein), codées par un plasmide, jouent un rôle dans la virulence par des mécanismes complexes ; la protéine P1, codée un plasmide, recouvre la membrane externe des bactéries en formant des fibrilles ce qui confère aux bactéries une résistance à l'activité bactéricide du sérum et leur permet d'adhérer à l'épithélium digestif ; ...
. L'hémagglutinine filamenteuse est une protéine de haut poids moléculaire mise en évidence chez la majorité des espèces du genre Bordetella. Cette protéine est excrétée par les bactéries mais demeure fixée à la membrane externe. L'hémagglutinine filamenteuse est impliquée dans l'adhésion aux cellules ciliées. L'hémagglutinine filamenteuse est également capable d'agglutiner les érythrocytes. L'importance de cette hémagglutination est inconnue mais, il existe une relation entre le pouvoir pathogène pour le porc de Bordetella bronchiseptica et l'intensité de l'agglutination pour les globules rouges de bovins.
. La pertactine est une protéine de membrane externe, d'un poids moléculaire de 68 à 70 kDa, produite par la majorité des espèces du genre Bordetella et qui joue le rôle d'une adhésine.
. Chez certaines souches de Escherichia coli, la protéine TraT, codée par un plasmide, inhibe la formation du complexe d'attaque des membranes du système complémentaire en inhibant le composant C6.
Les protéines jouant un rôle dans la perméabilité sont dénommées des porines. Les porines sont organisées en trimères et elle délimitent des pores qui traversent la membrane externe de part en part. Elles permettent ainsi le passage de petites molécules (jusqu'à 600 Da) hydrophiles.
Les bactéries peuvent s'entourer d'enveloppes supplémentaires plus ou moins structurées ou diffuses. Historiquement, on a décrit, sous le nom de capsule, une couche muqueuse généralement polysaccharidique, au contour bien défini et caractérisant certaines espèces ou souches pathogènes. En réalité de très nombreuses bactéries sont capables de synthétiser des polysaccharides de surface qui peuvent, éventuellement, être libérés dans le milieu. Leur étude est cependant difficile pour deux raisons majeures :
. Ces polysaccharides sont très fortement hydratés (plus de 99 p. cent d'eau) ce qui rend leur étude difficile au microscope électronique notamment parce que leur structure s'altère lors de la déshydratation des échantillons.
. Ces polysaccharides sont élaborés de manière optimale lorsque les bactéries sont dans un milieu hostile car ils apportent une protection ou un moyen de coloniser l'environnement. Lors d'une culture in vitro, sur des milieux riches, la synthèse des ces poysaccharides qui représente une dépense énergétique n'est plus indispensable et les bactéries peuvent ne plus les élaborer.
En 1981, Costerton a proposé le terme de glycocalyx pour désigner tous les composants liés à la membrane externe des bactéries à Gram négatif ou au peptidoglycane des bactéries à Gram positif. Le terme de glycocalyx désigne donc à la fois les polysaccharides de surface et les protéines ou glycoprotéines formant la couche S. D'autres auteurs préfèrent utiliser le terme de substances polymérisées extracellulaires (EPS : Extracellular Polymeric Substances).
Parmi les polysaccharides de surface, on peut distinguer de manière un peu arbitraire, la capsule et les couches muqueuses ou slime. La capsule correspond à une structure bien organisée, facilement mise en évidence par des techniques simples alors que le slime correspond à des constituants polysaccharidiques plus ou moins libérés dans le milieu et ne constituant plus une véritable entité morphologique.
A l'exception de certaines espèces de Bacillus (notamment Bacillus anthracis) dont la capsule est constituée de polypeptides formés d'un seul acide aminé (acide D-glutamique), la capsule bactérienne est constituée de polysaccharides localisés autour des acides téchoïques chez les bactéries à Gram positif ou autour des lipopolysaccharides chez les bactéries à Gram négatif. Pour une même espèce, la nature des sucres et leur mode de liaison peuvent être différents ce qui confère aux bactéries des spécificités antigéniques différentes. Les antigènes capsulaires sont souvent désignés sous le nom d'antigène K chez les bactéries à Gram négatif.
La capsule ne joue pas un rôle vital pour la bactérie et en l'absence de sa synthèse, la bactérie est capable de se multiplier. En revanche, la capsule joue un rôle important dans le pouvoir pathogène car elle s'oppose à la phagocytose et à l'activation de la voie alterne du système complémentaire.
Les principales bactéries capsulées ou pouvant être capsulées et présentant un intérêt vétérinaire sont : Streptococcus agalactiae, Streptococcus equi subsp. equi, Streptococcus suis, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus uberis, Staphylococcus aureus (12 types capsulaires), Bacillus anthracis, Clostridium perfringens, Rhodococcus equi, Aeromonas salmonicida, Escherichia coli (au moins 80 antigènes K), Klebsiella sp., Actinobacillus pleuropneumoniae, Actinobacillus suis, Actinobacillus equuli, Haemophilus parasuis, Avibacterium (Haemophilus) paragallinarum, Pasteurella multocida (5 groupes capsulaires : A, B, D, E et F), Mannheimia haemolytica, Burkholderia mallei, Bacteroides fragilis, Porphyromonas sp., ...
Les polysaccharides de surface peuvent être libérés sous forme de slime dans le milieu où se produit la multiplication bactérienne. La production de slime est fréquente avec les bactéries aquatiques et particulièrement intense avec les bactéries du genre Zooglea et conduit à la formation de masses gluantes auxquelles adhèrent des matières en suspension. Les slimes élaborés par d'autres bactéries sont produits industriellement et servent d'agent gélifiant dans les industries alimentaires (Leuconostoc mesenteroides, Azotobacter vinelandii...).
Couche de surface cristalline ou couche S (S layer)
Les couches S sont de connaissance relativement récente car elles ne peuvent être mises en évidence que par microscopie électronique. Elles sont constituées de protéines ou de glycoprotéines généralement d'un poids moléculaire élevé (40 à 200 kDa), disposées régulièrement sous forme d'un assemblage paracristallin organisé selon un système géométrique carré, hexagonal ou oblique.
Une couche S a été identifiée chez plusieurs centaines d'espèces appartenant aux domaines des "Archaea" et des "Bacteria" (Chlamydia, Treponema, Helicobacter, Campylobacter, Wolinella, Cardiobacter, Rickettsia, Bacteroides, Bordetella, Aeromonas, Bacillus, Clostridium, Corynebacterium, ...).
Chez les "Archaea" dépourvues de paroi, la couche S constitue la seule enveloppe appliquée sur la face externe de la membrane cytoplasmique (par exemple, Methanococcus sp.). Chez les "Archaea" possédant une pseudoparoi, la couche S est située à la périphérie (Methanothermus sp.).
Chez les "Bacteria" à Gram positif, la couche S est située à la périphérie du peptidoglycane et chez les bactéries à Gram négatif elle est étroitement associée à la membrane externe.
Outre son rôle en tant que squelette, la couche S pourrait être impliquée dans l'adhésion, dans la résistance au système complémentaire (inhibition de la fixation du C3b) et dans la résistance aux protéases des macrophages (Campylobacter fetus subsp. fetus, Aeromonas salmonicida). Chez Campylobacter fetus subsp. fetus, les repiquages successifs d'une souche font apparaître des variations dans le poids moléculaire de la protéine majeure de la couche S et un phénomène identique est également observé in vivo au cours d'une infection. Il en résulte une variabilité antigénique permettant aux bactéries d'échapper aux mécanismes de défense spécifiques, ce qui favorise la virulence. La couche S protège également les bactéries de certains bactériophages et elle protège les germes à Gram négatif de l'action de Bdellovibrio bacteriovorus.
La mobilité s'observe chez de nombreuses bactéries appartenant aussi bien au domaine des "Bacteria" qu'au domaine des "Archaea". D'une manière générale, la mobilité s'observe chez les bacilles et seuls quelques coques sont mobiles (Agitococcus lubricus, Enterococcus casseliflavus, Enterococcus gallinarum, Methylococcus mobilis, Nitrococcus mobilis, Desulfurococcus mobilis, Planococcus sp. ...) . Plusieurs type de mobilité peuvent être observés :
La mobilité par glissement sur des surfaces solides ne se rencontre que chez des bacilles à Gram négatif (Cytophaga sp., Capnocytophaga sp., Flexithrix sp., Flexibacter sp., Flavobacterium columnare, Flavobacterium hydatis, Flavobacterium johnsoniae, Flavobacterium succinicans ...). Elle consiste en un déplacement lent sur une surface solide par un mécanisme non élucidé.
La nage est le type de mobilité le plus fréquent qui s'observe soit dans des milieux liquides soit dans des milieux semi-solides. La nage résulte de la présence de flagelles.
L'essaimage est une alternative à la nage qui est observée lorsque des bactéries flagellées sont présentes sur un milieu solide. Ce phénomène est bien connu chez certaines espèces du genre Proteus (Proteus mirabilis) mais il semble exister chez de nombreuses souches mobiles (Serratia sp., Vibrio sp., Escherichia coli, Salmonella typhimurium, Bacillus sp., Clostridium sp., Rhodospirillum sp., Azospirillum sp., Yersinia sp., Aeromonas sp.). L'essaimage nécessite une transformation morphologique des bactéries. En milieu liquide, les bactéries sont courtes et portent quelques flagelles mais, en milieu solide, les bactéries s'allongent et présentent de très nombreux flagelles. Chez Vibrio parahaemolyticus et chez Azospirillum brasiliense, les cellules possèdent soit un unique flagellaire polaire responsable de la nage soit de multiples flagelles responsables de l'essaimage. Ensemencées au centre d'une boîte de milieu gélosé, les bactéries se multiplient pour donner une colonie. Lorsque le milieu s'épuise, on voit apparaître des formes longues fortement mobiles capables de se déplacer à la surface du milieu (essaimage) et qui vont coloniser un endroit de la gélose riche en nutriment où elles donnent naissance à des formes courtes et faiblement mobiles. L'appauvrissement du milieu provoquera à nouveau l'apparition de formes longues qui repartiront vers des zones de milieu neuf. La succession de ces cycles se traduit par des vagues successives (voile) qui finissent par envahir la totalité du milieu.
Les flagelles sont des structures fines (environ 10 à 20 nm de diamètre), observées soit au microscope électronique soit au microscope optique après des colorations spéciales qui ont toutes pour effet d'épaissir les flagelles afin de les rendre visibles. Le nombre et la position des flagelles est un caractère important à prendre en considération pour le diagnostic (schéma 5). Le cas le plus simple est constitué par les bactéries ne possédant qu'un seul flagelle situé à une extrémité ou à proximité d'une extrémité de la cellule : l'appareil flagellaire est qualifié de monotriche et de polaire (ou subpolaire). Lorsqu'une touffe de flagelles est présente à une extrémité on parle de flagellation multitriche et polaire; lorsque des flagelles sont présents à chacune des extrémités de la cellule, la flagellation est qualifiée de bipolaire ou d'amphitriche et elle peut être monotriche ou multitriche ; enfin, lorsque des flagelles sont disposés sur toute la surface de la bactérie, la flagellation est péritriche.
Les flagelles sont constitués de trois parties, un filament hélicoïdal, un crochet et un corpuscule basal :
Le filament dont la longueur peut atteindre 10 mm est formé de l'assemblage de sous-unités protéiques formées généralement d'une seule protéine, la flagelline dont le poids moléculaire varie de 15 à 70 kDa. Le filament est hélicoïdal et se compose de onze fibrilles disposés comme les torons d'une corde et parcouru par un fin canal axial. Chez certaines espèces, le filament est entouré par une gaine. Cette gaine est constituée d'un prolongement de la membrane externe (Bdellovibrio, Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Helicobacter) ou d'une structure protéique (spirochètes à l'exception des espèces du genre Borrelia).
Le crochet est très court, incurvé et flexible et présente une structure protéique.
Le corpuscule ou corps basal correspond au lieu d'insertion du flagelle dans la cellule. Son architecture est complexe et comprend une partie mobile et une partie fixe. Le filament et le crochet se prolongent par un cylindre axial qui constitue l'arbre de transmission. Autour du cylindre axial on trouve des anneaux ou disques. Chez toutes les bactéries deux disques internes sont localisés dans la membrane cytoplasmique, le disque M (membrane) et le disque S (supramembrane). Chez les bactéries à Gram négatif, se surajoute un disque P (périplasmique) localisé dans le peptidoglycane et un disque L (lipopolysaccharide). Les disques S, P et L seraient fixes et le disque M mobile. Plusieurs protéines membranaires interviennent pour la rotation et le sens de rotation du moteur.
Chez les entérobactéries, il existe 5 protéines, deux d'entre elles (Mot A et Mot B) sont impliquées dans la rotation et les trois autres (FliG, FliM, FliN) forment le complexe d'inversion qui détermine la rotation du moteur dans le sens des aiguilles d'une montre (CW, clockwise) ou dans le sens inverse (CCW, counter clockwise).
C'est chez les entérobactéries (ciliature péritriche) que la mobilité est la mieux connue. Les flagelles étant des hélices lévogyres, la rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre propulse la bactérie selon un processus appelé la nage ; la rotation dans le sens contraire provoque une culbute ou un pivotement. Chez les bactéries péritriches, lorsque les flagelles tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ils se fondent en un faisceau qui fonctionne comme une hélice composite et la bactérie est propulsée à des vitesses de 10 à 20 mm/s (compte tenu de la taille cette vitesse correspondrait pour un homme à 65 km/h). Après une brève période de nage, le sens de rotation des flagelles s'inverse, le faisceau qu'ils constituaient se sépare et s'étale conduisant la cellule à une culbute (ou pivotement) sur place. Cette période de culbute dure moins d'une seconde mais elle conduit à modifier la direction de la nage. En présence de substances attractives ou répulsives, les périodes de nage sont plus longues, la culbute moins fréquente et les bactéries progressent dans la direction du gradient élevé de concentration ou s'en éloignent. Les bactéries détectent donc des gradients de concentration grâce à des protéines membranaires appelées protéines du chimiotactisme acceptrices de méthyle (MCP, Methyl-accepting Chemotaxis Protein). Ces protéines sont méthylées en réponse à des changements de concentration des attractifs (ou des répulsifs) et un niveau élevé de méthylation prolonge la durée de la nage. Il existe cinq classes de MCP, Tsr, Tar, Trg, Tap et Tip, chacune d'elles étant responsable des réponses chimiotactiques vis-à-vis de différents attractifs. Tsr est un médiateur positif pour la sérine et d'autres acides aminés et négatif pour le benzoate et l'acétate; Tar est un médiateur positif pour l'aspartate et le maltose et négatif pour le nickel et le cobalt; Trg est un médiateur positif pour le galactose et le ribose; Tap est un médiateur positif pour les dipeptides; les chimio-effecteurs de Tip ne sont pas connus. La fixation d'un attractif induit un changement de conformation de la MCP qui permet sa méthylation par une méthylase spécifique. Si la concentration de l'attractif ou du répulsif n'augmente pas, une méthylestérase spécifique déméthyle progressivement la protéine. Les signaux sont transmis au moteur flagellaire par au moins six protéines cytoplasmiques (CheA, CheB, CheR, CheW, CheY, CheZ).
Le mode de locomotion des bactéries non péritriches est moins bien connu. Rhodobacter sphaeroides possède un seul flagelle polaire et nage en faisant tourner son flagelle dans le sens des aiguilles d'une montre. Cette bactérie ne change pas le sens de rotation de son flagelle mais se réoriente en arrêtant la rotation et en subissant les mouvements browniens. Un mécanisme similaire existe chez Pseudomonas putida qui possède plusieurs flagelles polaires, qui se propulse en faisant tourner ses flagelles dans le sens contraire des aiguilles d'une montre et qui change de direction en arrêtant la rotation. Chez les bactéries amphitriches comme Spirillum volutans, le faisceau avant est recourbé en cloche vers le pôle opposé et le faisceau arrière prolonge la cellule. Lorsque la bactérie inverse sa direction de nage, les deux faisceaux réorientent simultanément leur configuration de telle sorte que le faisceau avant devienne le faisceau arrière et vice versa.
Les flagelles confèrent à la bactérie une mobilité variant de quelques micromètres par seconde (Halobacterium spp.) à quelques dizaines (entérobactéries) voire centaines (Bdellovibrio spp.) de micromètres par seconde. Le record de vitesse est détenu par Thiovulum majus qui est capable de se déplacer à une vitesse de 615 µm par seconde.
La synthèse des flagelles nécessite de l'énergie et lorsque leur présence n'est pas indispensable, certaines bactéries deviennent immobiles. La mobilité s'exprime donc de manière différente selon les conditions du milieu. Par exemple, Listeria monocytogenes est mobile à 20 °C et immobile à 37 °C (notamment lorsqu'elle est en position intracellulaire), Yersinia pseudotuberculosis et Yersinia enterocolitica ne sont mobiles qu'à une température inférieure à 30 °C...
Chez les spirochètes, l'appareil flagellaire est original. Il est constitué de flagelles entourés d'une gaine. La structure de ces flagelles est classique mais ils sont localisés dans un espace compris entre le peptidoglycane et la membrane externe. Le corpuscule basal ne comprend que les disques M et S et ressemble donc à celui des bactéries à Gram positif. Ces flagelles sont insérés à chacune des extrémités de la cellule, ils sont entourés autour de la cellule et viennent éventuellement se chevaucher dans la partie médiane de la cellule. Grâce à la rotation de ces flagelles (dont le sens de rotation peut s'inverser), les spirochètes sont doués de mouvement de translation, de rotation autour de l'axe longitudinal ou de flexion.
La flagelline est immunogène et constitue l'Ag H. Les antigènes H varient selon les espèces mais ils peuvent également être variables au sein d'une même espèce et contribuent à définir des sérovars. Chez les salmonelles, pour la plupart des sérovars, les bactéries possèdent deux systèmes génétiques codant pour des flagellines différentes (schéma 6) . Les flagelles existent alors sous deux formes antigéniques qualifiées de phase 1 et de phase 2, on dit que les antigènes H sont diphasiques.
. Pour une cellule bactérienne donnée, un seul des deux gènes s'exprime et les flagelles seront soit en phase 1 soit en phase 2. D'une manière aléatoire, toutes les 1000 à 10 000 générations, le gène qui n'est pas exprimé s'exprime et l'autre cesse de s'exprimer. Ainsi, Salmonella Typhimurium (ou Salmonella typhimurium) possède des flagelles dont l'antigénicité est qualifiée de i en phase 1 et de 1,2 en phase 2. Si on prélève au micromanipulateur une cellule dont les flagelles sont en phase 1 (antigénicité i) et qu'on la place dans un milieu de culture, il apparaît dans la population bactérienne en croissance des bactéries ayant des flagelles en phase 2 (antigénicité 1,2).
. Le plus souvent, une souche est constituée d'un mélange de cellules dont les unes (environ 50 p. cent) expriment les antigènes flagellaires de la phase 1 et les autres (environ 50 p. cent) expriment les antigènes correspondant à la phase 2. Dans ces conditions, il sera facile de déterminer les spécificités antigéniques de la phase 1 et 2 grâce à l'utilisation de sérums spécifiques. Dans une minorité de cas, un très grand pourcentage de cellules d'une souche (par exemple 99,9 p. cent) exprime ses flagelles sous une même phase (par exemple la phase 2) et un faible pourcentage de cellules (0,1 p. cent) exprime ses flagelles sous l'autre phase (phase 1). Dans ces conditions, il sera facile de déterminer la spécificité antigénique de la phase 2 par contre la spécificité antigénique correspondant à la phase 1 ne sera pas mise en évidence et, pour la caractériser, il conviendra d'effectuer une manipulation supplémentaire connue sous le nom de changement de phase (schéma 7). Pour effectuer un changement de phase on incorpore dans une gélose semi-molle les anticorps capables de se fixer sur les antigènes dont on a pu déterminer la spécificité. Cette gélose est coulée en boîte de Pétri et la souche à étudier est ensemencée au centre de la boîte. Les bactéries dont les flagelles portent la spécificité antigénique H correspondant aux anticorps sont immobilisées et seules les quelques bactéries ayant des antigènes présentant une spécificité antigénique différente peuvent se déplacer et envahir la gélose. Après incubation et multiplication des bactéries, les cellules prélevées en périphérie de la zone d'inoculation initiale permettent de déterminer la spécificité antigénique qui, initialement, était faiblement exprimée par la souche.
. Pour une minorité de sérovars (par exemple Agona, Enteritidis, Montevideo, Rissen, Senftenberg, Tennessee, ...) la bactérie ne peut synthétiser des flagelles que d'une seule spécificité car elle ne possède pas l'information génétique pour l'autre spécificité. L'antigène H est alors qualifié de monophasique.
Outre leur rôle dans la mobilité, les flagelles pourraient intervenir dans la virulence même si les conclusions de diverses expériences sont parfois contradictoires. La mobilité permettrait aux bactéries d'envahir les tissus et les flagelles pourraient même se comporter comme des adhésines. Un rôle de la mobilité dans la virulence a été tout particulièrement évoqué pour les spirochètes, Clostridium chauvoei, Proteus mirabilis, Campylobacter jejuni, Campylobacter coli, Pseudomonas aeruginosa, Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio anguillarum, Salmonella typhi, les légionelles (toutes les souches virulentes possèdent des flagelles)...
La microscopie électronique a révélé la présence de structures filiformes, différentes des flagelles, non impliquées dans la mobilité et appelées pili ou fimbriae. Il existe une certaine confusion dans la nomenclature de ces appendices et on peut parler de pili pour désigner les appendices qui jouent un rôle dans la conjugaison (pili sexuels ou pili F) et de fimbriae pour désigner les appendices impliqués dans des phénomènes d'adhésion. Le terme d'adhésine est beaucoup plus général puisqu'il recouvre les fimbriae mais aussi de nombreuses autres molécules (notamment des protéines) jouant un rôle dans l'attachement des bactéries aux cellules eucaryotes.
Les fimbriae peuvent avoir deux aspects. Ce sont soit des bâtonnets rigides de 5 à 7 nm de diamètre soit des filaments flexibles de 2 à 3 nm de diamètre. Ces fimbriae semblent être présents chez de nombreuses bactéries à Gram négatif et ils semblent plus rares chez les bactéries à Gram positif.
L'endospore ou spore est un organite facultatif qui se forme au sein du cytoplasme de certaines bactéries et qui diffère de la cellule végétative par sa forme, sa structure, son équipement enzymatique et par sa résistance aux agents physiques et chimiques ce qui lui permet de survivre dans des conditions très défavorables.
La sporulation est le phénomène de différenciation qui conduit de la forme végétative à la spore. La transformation inverse est appelée la germination.
À l'exception des Desulfosporosinus spp., des Caminicella spp., de quelques espèces du genre Sporomusa, de Coxiella burnetii (qui pourrait former une spore) et de Serratia marcescens subsp. sakuensis, les endospores ne sont présentes que chez des bactéries à Gram positif.
Les principales espèces capables de sporuler appartiennent aux genres Acetonema, Alicyclobacillus, Aneurinibacillus, Bacillus, Brevibacillus, Clostridium, Dendrosporobacter, Desulfotomaculum, Geobacillus, Paenibacillus, Sporobacter, Sporolactobacillus, Sporomusa, Sporosarcina, Sporotomaculum, Syntrophospora, Thermoactinomyces, Ureibacillus, Virgibacillus...
Au microscope en contraste de phase, la spore apparaît comme un espace clair très réfringent et limité par un contour net et régulier. Elles sont rondes ou ovales, d'un diamètre variant de 0,2 à 2 mm. Si le diamètre est supérieur à celui de la cellule végétative la spore est qualifiée de déformante, dans le cas contraire elle est non déformante. Sa situation à l'intérieur de la cellule permet de reconnaître des spores centrales, subterminales ou terminales. Sauf exception (par exemple Clostridium disporicum), on ne trouve qu'une seule spore par bactérie.
La spore (schéma 8) est constituée par un cytoplasme de texture homogène, pauvre en ARN, en enzymes et en eau mais contenant une quantité d'ADN proche de celle de la cellule végétative. La membrane cytoplasmique, analogue à celle de la cellule végétative, est entourée de la paroi sporale et du cortex. Le cortex, très transparent aux électrons, contient la quasi totalité d'un constituant spécifique des spores, l'acide dipicolinique sous forme de dipicolinate de calcium. Appliqué contre le cortex on trouve la ou les tuniques (appelées alors intine ou tunique interne et exine ou tunique externe) formées de protéines riches en ponts disulfures puis, éventuellement, l'exosporium.
L'état de déshydratation, la présence de dipicolinate de calcium et la richesse en ponts disulfures des tuniques expliqueraient les propriétés de résistance des spores. Les spores sont en effet douées d'une longévité et d'une résistance importante. La longévité est difficile à apprécier mais elle pourrait atteindre plusieurs milliers d'années pour certaines espèces de Bacillus. La thermorésistance est très variable selon les espèces et même selon les souches, selon l'âge des cultures et selon les conditions de culture. Quelques valeurs de la thermorésistance des spores sont données dans le tableau IV.
Les spores résistent également aux radiations, aux pressions, aux antibiotiques, aux antiseptiques et aux désinfectants.
La sporulation est provoquée par l'épuisement du milieu en substrat nutritif et elle peut nécessiter des conditions particulières : absence d'oxygène pour les clostridies, présence d'oxygène pour Bacillus anthracis (d'où l'interdiction d'autopsier en plein champ des animaux dont la mort semble être due au charbon bactéridien). Le processus de sporulation débute à la fin de la phase de croissance exponentielle et il se déroule en 6 étapes (schéma 9). Le stade I ou stade du filament axial se caractérise par la présence d'un matériel nucléaire qui s'étend sur toute la longueur de la cellule et qui correspond à 2 génomes. Au stade II, les deux génomes se séparent et en même temps la membrane cytoplasmique s'invagine près d'un pôle de la cellule pour former un septum de sporulation qui partage la cellule en deux parties inégales. Ce septum de sporulation va envelopper le cytoplasme de la plus petite partie pour former une préspore caractéristique du stade III. Entre les deux membranes limitant la préspore se forme la paroi sporale puis apparaît rapidement le cortex dont la présence est caractéristique du stade IV. Aux stades V et VI, les tuniques sont élaborées et, après maturation, la cellule mère se lyse et libère la spore mature.
Au cours de la sporulation il peut y avoir synthèse de différentes substances : antibiotiques, toxines (entérotoxine de Clostridium perfringens) ou corps parasporal (Bacillus thuringiensis, Bacillus sphaericus...) contenant des toxines létales pour les insectes.
Placée dans des conditions favorables (eau, glucose, acides aminés) la spore va donner naissance à une nouvelle cellule végétative et on distingue trois stades dans ce processus de germination.
L'activation est un stade souvent indispensable correspondant à une lésion des enveloppes sporales par des agents physiques ou chimiques. En l'absence de cette activation, même placées dans un environnement favorable, les spores sont incapables de germer. L'activation peut être provoquée par des agents mécaniques (choc, abrasion), des agents physiques (choc thermique) ou chimiques (lysozyme, acides...).
L'activation thermique est bien connue et mise à profit au cours de la tyndallisation. Cette technique ne peut être utilisée que lorsque les spores sont présentes dans un milieu apte à assurer leur germination. La tyndallisation consiste à chauffer trois fois le produit à stériliser. Le premier chauffage de 30 minutes à 60 °C tue les formes végétatives et induit la germination d'éventuelles spores. Le deuxième chauffage, effectué dans les mêmes conditions, tue les formes végétatives issues du premier chauffage et induit un choc thermique pour d'éventuelles spores résiduelles. Le troisième chauffage de 30 minutes à 60 °C détruit les formes végétatives issues du deuxième chauffage. La tyndallisation n'est mise en œuvre que pour des produits fragiles ne supportant pas ou mal une stérilisation classique (autoclavage à 120 °C, 2 atmosphères durant un minimum de 20 minutes ou passage au four à 170 °C durant un minimum de 90 minutes).
L'initiation débute en présence de conditions favorables d'hydratation et en présence de métabolites effecteurs (alanine, adénosine, magnésium, ...) qui pénètrent à travers les enveloppes endommagées et déclenchent un processus autolytique. Des enzymes hydrolytiques dégradent de nombreux constituants de la spore et notamment le cortex qui libère le dipicolinate de calcium. Après l'élimination de la barrière corticale, la spore s'imbibe d'eau, se gonfle et perd ses propriétés de résistance.
L'émergence d'une nouvelle cellule végétative comprenant le cytoplasme sporal entouré de la membrane et de la paroi est possible grâce à l'altération des enveloppes. La nouvelle cellule entre dans une phase active de biosynthèse et la croissance reprend graduellement.
La germination peut être inhibée par divers agents physiques ou chimiques. Ainsi, la germination des spores de Clostridium botulinum est entravée par le froid, les pH inférieurs à 4,5, des concentrations en nitrites supérieures à 150 ppm et des concentrations en NaCl supérieures à 10 p. cent.
L'existence des spores a de nombreuses conséquences pratiques :
Diagnostic (présence ou absence, forme et emplacement dans la cellule, décontamination des prélèvements).
Stérilisation du matériel médical, chirurgical ou des milieux de culture.
Épidémiologie des maladies bactériennes telles que le charbon bactéridien (Bacillus anthracis), le tétanos (Clostridium tetani), le charbon symptomatique (Clostridium septicum, Clostridium chauvoei), ...
Hygiène alimentaire :
. Altération des denrées (Bacillus stearothermophilus, Clostridium thermosaccharolyticum, Desulfotomaculum nigrificans, ...).
. Intoxinations ou toxi-infections alimentaires (Clostridium botulinum, souches de Clostridium perfringens productrices d'entérotoxines).
. En hygiène alimentaire, les barèmes de chauffage des conserves doivent permettre d'éliminer les risques de botulisme. Ils sont fonction de nombreux facteurs : pH, teneur en sel, teneur en nitrites, valeur de l'AW, nature de la denrée, forme et volume des boîtes...
Au sein du monde des procaryotes, il existe des formes de résistance différentes des endospores. C'est le cas des arthrospores, des myxospores, des exospores et des cystes.
Les arthrospores sont élaborées par de nombreux actinomycètes (notamment les Streptomyces spp.). Elles résultent d'un cloisonnement puis d'une désarticulation des hyphes aériens. Les arthrospores survivent plus longtemps que les hyphes et elles sont plus résistantes à la chaleur et à l'acidité.
Chez les myxobactéries, les cellules végétatives peuvent s'entourer d'une enveloppe épaisse et donner des myxospores très résistantes à la dessiccation, partiellement résistantes aux UV et modérément résistantes à la chaleur.
Les exospores sont observées chez des bactéries du genre Methylosinus. Elles résultent d'un bourgeonnement de l'extrémité des cellules végétatives. Les exospores semblent avoir des propriétés de résistance comparables à celles des endospores.
Les Azotobacter spp., les Methylococcus spp., les Methylobacter spp. et les Methylomonas spp. produisent des cystes. Le cyste est une forme de résistance à la dessiccation. Sa structure comprend un corps central entouré d'une enveloppe qui se différencie en un exosporium et une exine. Contrairement à l'endospore, la cellule à l'intérieur du cyste est de forme végétative et elle n'est pas l'objet de modifications structurales avant sa germination.
Les plasmides sont des molécules d'ADN bicaténaires, généralement circulaires (des plasmides linéaires sont présents chez les Borrelia sp. et les Streptomyces sp.), extra-chromosomiques, d'une taille variant de 1 à 400 kb (kilobases), douées de réplication autonome (réplicon) et transmissibles de façon stable à la descendance. Les plasmides sont très largement répandus dans le monde bactérien puisqu'ils ont pu être identifiés dans pratiquement toutes les espèces où ils ont été recherchés. Ils peuvent être perdus, soit spontanément au cours des repiquages ou de la conservation des souches, soit sous l'influence de facteurs physiques (rayons UV) ou de facteurs chimiques (agents curants comme les colorants d'acridine ou les quinolones à des concentrations non bactéricides).
Outre leur nature moléculaire (ADN bicaténaire), la seule propriété commune à l'ensemble des plasmides est celle de se répliquer de façon autonome par des mécanismes génétiques qui peuvent être très différents. Cette grande variabilité des systèmes génétiques intervenant dans la réplication permet de classer les plasmides en groupe d'incompatibilité. Les plasmides d'un même groupe d'incompatibilité utilisent les mêmes contrôles génétiques de la réplication et ils ne peuvent coexister de façon stable au sein d'une même bactérie. Les plasmides d'un même groupe d'incompatibilité présentent de larges homologies génétiques et sont généralement fortement apparentés.
La réplication des plasmides de grande taille est le plus souvent synchrone avec la réplication du chromosome ce qui n'est généralement pas le cas pour des plasmides de petite taille. Au cours de la croissance de la cellule, chaque plasmide possède un nombre caractéristique de copies. Il est de 1 copie par chromosome pour les gros plasmides et de 10 à 20 copies pour les petits plasmides. La régulation du nombre de copies est sous la dépendance d'un répresseur codé par un gène plasmidique. Au cours de la croissance bactérienne, les plasmides sont transmis de bactéries mères à bactéries filles selon un mécanisme d'équipartition (égale répartition du nombre de plasmides dans les cellules filles).
Les plasmides peuvent être divisés en deux catégories : les plasmides conjugatifs et les plasmides non conjugatifs.
. Les plasmides conjugatifs, pouvant être transmis sur un mode horizontal entre bactéries par un processus de conjugaison, ont une taille supérieure à 30 kb. Le phénomène de conjugaison a été décrit chez les bacilles à Gram négatif, les streptocoques, les entérocoques, les staphylocoques, les clostridies, les espèces du genre Streptomyces...
Chez les bactéries à Gram négatif, les plasmides conjugatifs possèdent un opéron tra sur lequel sont rassemblés les gènes codant pour la conjugaison et ils dirigent la synthèse de pili sexuels situés à la surface de la bactérie donatrice et qui constituent des câbles d'amarrage permettant la fixation sur une bactérie réceptrice. A la suite de l'interaction entre les pili de la bactérie donatrice et la paroi de la bactérie réceptrice, il s'établit, entre les deux cellules, un pont cytoplasmique constituant la voie de passage pour l'information génétique.
Chez les bactéries à Gram positif, il n'y a pas de pili impliqués dans la conjugaison et les signaux responsables de l'appariement entre une bactérie donatrice et une bactérie réceptrice sont véhiculés par des molécules solubles, les phéromones. Une bactérie réceptrice produit des phéromones codées par le chromosome et qui stimulent des gènes présents sur le plasmide de la bactérie donatrice. Ces gènes envoient à leur tour un signal à un autre gène plasmidique qui produit une substance d'agrégation, la protéine AS, qui se localise à la surface de la cellule. Cette protéine AS est capable de se fixer sur une protéine, la substance de fixation, également présente à la surface cellulaire et codée par un gène chromosomique. Il se forme alors des amas entre cellules donatrices et réceptrices permettant le transfert plasmidique. Chez les souches donatrices, porteuses du plasmide, la production de phéromones est entravée par un inhibiteur codé par le plasmide.
Le transfert par conjugaison s'effectue selon un processus de "sur-réplication" de l'ADN qui permet à la bactérie donatrice de conserver une copie de l'information qu'elle héberge et de la transmettre à une bactérie réceptrice qui en était dépourvue. Les plasmides sont donc capables de coder pour leur propre dissémination. Le transfert plasmidique s'effectue entre souches bactériennes d'une même espèce mais aussi entre souches bactériennes d'espèces différentes. Les plasmides conjugatifs ne peuvent pas se transférer efficacement entre bactéries à Gram positif et bactéries à Gram négatif. La conjugaison est possible mais le plasmide ne peut pas s'établir de manière stable chez la bactérie réceptrice.
. Les plasmides non conjugatifs ont généralement une taille de 7 à 10 kb, ils codent rarement pour plusieurs caractères (notamment pour la résistance à plus de deux familles d'antibiotiques), ils sont dépourvus d'opéron tra mais ils peuvent cependant se transmettre à la faveur d'une conjugaison codée par un plasmide conjugatif coexistant dans la même bactérie (phénomène de mobilisation ou de co-transfert). Le plasmide mobilisable profite du travail effectué par le plasmide conjugatif, en particulier la mise en contact de la bactérie donatrice et de la bactérie réceptrice. Expérimentalement, certains plasmides non conjugatifs des bactéries à Gram positif peuvent se répliquer et s'exprimer chez des bactéries à Gram négatif. Dans la nature, des transferts trans-Gram ont été observés spontanément grâce à un processus de mobilisation. C'est le cas notamment d'un transfert plasmidique observé dans l'intestin de la souris entre Enterococcus faecalis (bactérie donatrice) et Escherichia coli (bactérie réceptrice).
Dans les deux cas, transfert par conjugaison ou transfert par mobilisation, il convient de noter deux faits essentiels :
. La bactérie donatrice conserve une copie du plasmide qu'elle transmet à la bactérie réceptrice. Il n'y a donc pas de perte d'information pour la bactérie donatrice.
. Si l'échange de plasmides est fréquent pour des bactéries d'une même espèce, il peut également se faire entre bactéries phylogénétiquement très éloignées. Ceci explique une dissémination parfois explosive d'un plasmide au sein d'une population bactérienne hétérogène comme la flore intestinale.
La dissémination des plasmides est exacerbée par les autres modes de transfert horizontaux. En effet, les plasmides conjugatifs ou non conjugatifs peuvent également être transmis par transduction (transfert par l'intermédiaire d'un bactériophage) ou par transformation (pénétration dans une bactérie réceptrice d'ADN libre).
Un ADN plasmidique peut s'intégrer à un ADN chromosomique par simple crossing-over, à condition qu'il existe des séquences homologues sur chacun des réplicons. Un plasmide intégré dans le chromosome est dit "en situation épisomique" et il se réplique avec le chromosome. Un plasmide conjugatif intégré peut entraîner un transfert de caractères chromosomiques au cours de la conjugaison. Toutefois, en dehors du facteur F (bactéries Hfr), cette éventualité est rare car la production des pili sexuels est généralement réprimée.
Les plasmides sont des réplicons facultatifs, non indispensables mais apportant une information génétique supplémentaire et permettant aux bactéries une meilleure adaptation au milieu environnant. On dit que les plasmides donnent un avantage sélectif aux bactéries qui les hébergent, avantage sélectif bien illustré par les plasmides de résistance aux antibiotiques. Toutefois, certains plasmides sont qualifiés de cryptiques car ils ne codent pour aucun caractère décelable.
De nombreuses activités biologiques sont sous la dépendance de plasmides. Les plus importantes sont les propriété de résistance aux antibiotiques, l'acquisition d'éléments du pouvoir pathogène et l'acquisition de nouvelles propriétés métaboliques. Certains caractères métaboliques non indispensables sont d'origine plasmidique : fermentation d'un sucre, hydrolyse de l'urée, production d'hydrogène sulfuré... L'existence de ces plasmides métaboliques peut conférer aux bactéries des caractères biochimiques atypiques compliquant le diagnostic (par exemple : souches de Escherichia coli uréase positive ou produisant de l'hydrogène sulfuré).
Éléments génétiques transposables
Les éléments génétiques transposables ou transposons sont des séquences d'ADN capables de promouvoir leur translocation d'une molécule d'ADN à une autre ou leur translocation à un autre site de la même molécule d'ADN. Ce sont des éléments génétiques mobiles qui n'ont pas d'existence autonome stable et qui doivent s'intégrer dans un réplicon et être dupliqués avec lui. À la différence de la recombinaison classique, le transposition s'effectue en l'absence d'homologie génétique entre l'élément transposable et la molécule d'ADN cible. La transposition est un processus de recombinaison illégitime. La transposition conduit à l'insertion d'un élément génétique transposable dans l'ADN cible, il y a addition et non échange de matériel génétique. La fréquence de transposition est généralement faible (10-3 à 10-4 par génération bactérienne chez Escherichia coli) car la transposition est un processus mutagène. En effet, l'insertion d'un élément génétique dans un gène interrompt sa continuité et conduit à une mutation par insertion.
Chez les "Bacteria" il est possible de distinguer deux grandes catégories d'éléments génétiques transposables : les éléments génétiques transposables classiques et les transposons conjugatifs.
1) Éléments génétiques transposables classiques
Les éléments transposables classiques possèdent trois caractéristiques communes :
. La transposition a lieu à l'intérieur d'une seule cellule et il n'y a pas de transfert intercellulaire par transposition.
. La présence à chacune des extrémités de la séquence d'ADN de terminaisons identiques mais inversées que l'on appelle des séquences répétées inversées dont la taille varie de 9 à 40 paires de bases.
. La présence d'un gène qui code pour une enzyme nécessaire au mécanisme de la transposition, la transposase.
L'insertion de ces éléments génétiques conduit toujours à la duplication d'une courte séquence d'ADN (5 ou 9 paires de bases pour la majorité des éléments génétiques transposables) de la molécule receveuse, appelée séquence cible. Pour un même élément génétique transposable, la séquence cible est différente. En d'autres termes, un élément transposable peut s'intégrer en de multiples points d'une molécule d'ADN même s'il existe des sites d'insertion privilégiés correspondant à des portions d'ADN particulièrement riches en adénine et thymine (ces portions possèdent une plus grande plasticité car le nombre de liaisons hydrogène est de deux entre adénine et thymine au lieu de trois entre guanine et cytosine).
La transposition se fait selon deux grandes modalités :
. Dans la transposition réplicative, le transposon est dupliqué au cours de la réaction. Une copie du transposon reste en place et l'autre copie s'insère dans le site receveur.
. Dans la transposition non réplicative, la molécule donneuse ne conserve pas de copie du transposon. Le transposon est excisé puis intégré dans la molécule receveuse.
Les éléments génétiques transposables classiques peuvent être distingués en 3 catégories :
. Les séquences d'insertion ou IS
Les séquences d'insertion sont les éléments génétiques transposables les plus simples. Elles ont une taille d'environ 1 000 pb et elles sont constituées uniquement de séquences répétées inversées encadrant l'information génétique codant pour la transposase.
. Les transposons composites
Les transposons composites qui sont des structures plus importantes (quelques milliers de pb) dans lesquelles un ou plusieurs gènes (tels que des gènes codant pour la résistance aux antibiotiques) sont encadrés par deux copies d'une séquence d'insertion. Les séquences d'insertion apportent l'information génétique nécessaire au processus de transposition. Quelques exemples de transposons composites figurent dans le tableau V.
. Les transposons non composites
Les transposons non composites dont le chef de file est le transposon Tn3, ne sont pas associés à des séquences d'insertion. Les transposons non composites possèdent des séquences répétées inversées, l'information génétique nécessaire à la transposition et divers gènes notamment des gènes de résistance aux métaux lourds ou / et aux antibiotiques. Quelques exemples de transposons non composites figurent dans le tableau V.
2) Transposons conjugatifs
Les transposons conjugatifs ont été mis en évidence chez les bactéries à Gram positif, notamment chez les streptocoques, les entérocoques et les clostridies. Quelques exemples de transposons conjugatifs figurent dans le tableau V.
Les transposons conjugatifs partagent des propriétés communes avec les éléments génétiques transposables classiques : ils sont capables de s'exciser d'une molécule d'ADN pour aller s'insérer dans de multiples endroits d'une molécule d'ADN cible.
Ils se distinguent des éléments génétiques transposables classiques d'une part par l'absence de séquences répétées inversées et d'autre part par leur capacité de se transférer d'une cellule à une autre par conjugaison (d'où leur nom). Devant assurer des fonctions de transfert, ces éléments génétiques sont de grande taille (environ 15,5 kb pour les plus petits jusqu'à 67 kb pour les plus grands).
Leur aptitude à la conjugaison s'exerce sur un spectre d'hôtes large. Exemples :
. Tn916 (trouvé à l'origine dans une souche de Enterococcus faecalis) est capable de se transférer entre diverses espèces des genres Enterococcus, Streptococcus, Staphylococcus, Bacillus.
. Tn1545 découvert chez Streptococcus pneumoniae est transférable par conjugaison à diverses espèces de Enterococcus, Staphylococcus, Bacillus et Listeria.
En revanche, ils ne semblent pas pouvoir se transférer d'eux-mêmes à des bactéries à Gram négatif comme Escherichia coli, mais une fois qu'ils y sont introduits, ils sont capables de se transposer avec une grande fréquence sur le chromosome ou un plasmide (éventuellement conjugatif) et de se transmettre ensuite entre bactéries à Gram négatif. L'introduction dans une bactérie à Gram négatif d'un transposon conjugatif peut se réaliser par le transfert inter-Gram d'un plasmide conjugatif ou mobilisable hébergeant un tel transposon.
La manière exacte par laquelle les transposons conjugatifs obtiennent leur transfert est mal connue. Ils semblent qu'ils soient capables de s'exciser de la molécule d'ADN qui les héberge, de se circulariser puis, sous forme circulaire, de se transférer à une autre cellule.
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