Découverte des bactéries et des bactériophages

Découverte des bactéries et des bactériophages 

Découverte des bactéries

La découverte des bactéries fait suite aux progrès réalisés en microscopie au XVIIe. En 1676 Antonie Van Leeuwenhoek décrivit des « animalcules », des petits animaux invisibles à l’œil nu, et notamment des bactéries. Au XVIIIe, Lazaro Spallanzani a été le premier à montrer de façon expérimentale que les microorganismes ne naissent pas spontanément, mais proviennent de la contamination des infusions par l’air ou l’environnement. Il a également observé que certains se reproduisaient par scissiparité. Au XIXe, Louis Pasteur mit définitivement à bas la théorie de la génération spontanée, et découvrit le rôle des microorganismes dans les processus de fermentation et de putréfaction. Avec Robert Koch, Louis Pasteur démontra le rôle des agents infectieux dans certaines maladies, et particulièrement celui des bactéries, jetant les bases de leur prévention par l’hygiène et les vaccinations. En très peu d’années, les principaux germes bactériens des grands fléaux de l’humanité furent découverts : charbon, peste, lèpre, syphilis, tuberculose, et cholera. (15).

Aujourd’hui encore, les bactéries sont souvent étudiées dans une perspective anthropocentrique, c’est-à-dire en se focalisant sur quelques espèces causant des pathologies, ou d’autres utiles en industrie. Cependant, au XXe siècle on a aussi fait des avancées considérables en écologie bactérienne, et on perçoit aujourd’hui l’importance des bactéries dans les réseaux trophiques des différents écosystèmes.

Découverte des virus et des bactériophages 

La découverte des virus est liée, elle, à la mise au point de techniques de filtration permettant de purifier les eaux de boisson. En 1884, Charles de Chamberland, un collaborateur de Louis Pasteur, proposa de nouveaux filtres en porcelaine, qui pouvaient être calibrés avec des pores homogènes et de taille variable. On pouvait alors évaluer la taille approximative des microbes les traversant, et c’est ainsi qu’en 1892, Dimitri Iwanowski découvrit le premier virus, celui de la mosaïque du tabac. Les champignons et les bactéries étaient retenus par les filtres aux pores les plus fins, alors que les virus invisibles au microscope passaient à travers ces filtres et demeuraient infectieux. Karl Mayer confirma en 1899 qu’il s’agissait d’un être «vivant» qui se multipliait et n’était donc pas une toxine.

En 1957 André Lwoff les définit ainsi : « les virus sont des objets biologiques de nature corpusculaire, doués de continuité génétique grâce à un ADN ou un ARN constituant son génome, dépourvus de systèmes enzymatiques capables d’assurer leurs synthèses et devant, de ce fait, emprunter à la cellule infectée sa machinerie bioénergétique pour se faire répliquer en un très grand nombre d’exemplaires » (15). Pour ce qui est des bactériophages, virus parasitant les bactéries, il est admis aujourd’hui qu’ils aient été découverts indépendamment par deux microbiologistes, l’anglais Frederick Twort et le franco-canadien Félix d’Hérelle. En 1915, Frederick Twort remarqua sur ses boites de Pétri des colonies de Staphylocoques à l’aspect vitreux, dont le repiquage restait infructueux. Il constata que les colonies de Staphylocoques de morphotype sauvage devenaient transparentes si on les touchait avec la substance des colonies vitreuses. Il ne vit rien au microscope qui puisse expliquer ce phénomène, et nota seulement que le principe actif pouvait traverser les filtres de Chamberland tout en conservant cette propriété lytique. Frederick Twort conclut qu’il pouvait s’agir d’un virus, d’une petite bactérie, d’une amibe ou encore d’une enzyme produite par la bactérie ce qui conduirait à son autodestruction. Il publia ses résultats dans The Lancet en 1915 (15). A la même époque, Félix d’Hérelle, qui travaillait à l’Institut Pasteur à Paris, est amené à étudier des cas très sévères de dysenteries chez des soldats revenant du front. (110). Il se demanda si le bacille qu’il isola, Shigella dysenteriae, suffisait pour induire la maladie ou si un autre élément lui était associé. Schweinitz et Dorset, en 1903, avaient montré en effet que ce n’était pas la bactérie retrouvée chez les malades du choléra qui était responsable de la maladie, mais un agent pathogène qui traversait les filtres et lui était associé (une toxine ici). Félix d’Hérelle analysa alors les filtrats des bouillons de culture ensemencés avec les bacilles isolés des patients ; et il observa que certains filtrats pouvaient induire la lyse des autres bouillons. Il vérifia l’absence de bactéries dans ces filtrats, et se pencha alors plus précisément sur cette substance antibactérienne. En 1917, Félix d’Hérelle publia, dans les Comptes Rendus de l’Académie des Sciences, un article intitulé « Sur un microbe invisible antagoniste des bacilles dysentériques » (40). Dans ce mémoire il décrit la formation de plages de lyse, ainsi que la nécessité de la présence des bactéries pour l’amplification de la substance antibactérienne, et la spécificité de l’hôte. Il nota toutefois que « son parasitisme est strictement spécifique, mais s’il est limité à une espèce à un moment donné, il peut s’exercer tour à tour sur divers germes par accoutumance ». D’Hérelle appela ce microbe : « bactériophage ». En 1942, l’observation des bactériophages par Luria et Anderson avec les premiers microscopes électroniques, confirma qu’il s’agissait d’organismes particulaires, ce qui finit de lever les doutes de la communauté scientifique sur leur nature (44).

Il apparut par la suite que l’infection par les bactériophages pouvait entraîner, dans certains cas, outre la destruction des bactéries, la survie du virus dans la bactérie sans effets délétères autres que des résurgences lytiques régulières. Enfin dès 1925, Oskar Bail démontra que certaines souches de colibacilles produisent de façon continue des bactériophages (cf. p22).

Importance écologique de l’interaction bactérie – bactériophage 

Ecologie bactérienne 

Détection et diversité des bactéries de l’environnement

La différenciation au microscope des multiples espèces bactériennes est très limitée. En effet, les traits morphologiques ne suffisent pas à les distinguer les unes des autres. Il faut bien souvent les cultiver pour obtenir des caractéristiques physiologiques et biochimiques plus informatives. Or, cela pose un problème de sélectivité, car seules certaines bactéries peuvent pousser dans des conditions de laboratoire (0.1%), lesquelles ne sont donc pas représentatives des bactéries de l’environnement. A la fin des années 1970, Carl Woese a préconisé de classer les espèces vivantes grâce à leur ARN ribosomique, ce qui lui permit ensuite de rassembler tous les organismes dans « l’arbre du vivant » (Figure 1)(128). On a alors proposé d’identifier les espèces bactériennes difficilement cultivables grâce à leur ARN16S, et d’établir des phylogénies pour mesurer la distance évolutive les séparant. (93).

A la fin du XIXe, la bactériologie environnementale consistait en l’étude de la survie des pathogènes dans l’eau. Puis, jusqu’au milieu du XXe, les chercheurs ont décrit les microorganismes de l’environnement (notamment marins), et leur distribution. Enfin, depuis les années 1975, on s’est intéressé au rôle des bactéries dans les biotopes (83). Les bactéries ne sont plus vues uniquement comme des « simples » décomposeurs et régénérateurs de nutriments, mais elles font partie intégrante des réseaux trophiques. Elles entretiennent des relations complexes de mutualisme, commensalisme, ou parasitisme avec d’autres procaryotes ou des eucaryotes, et sont elles-mêmes les cibles des protozoaires, et des bactériophages.

Ecologie virale 

Détection des virus et diversité des bactériophages 

Les bactériophages sont-ils aussi diversifiés qu’ils sont nombreux dans la biosphère? Pour pouvoir estimer la diversité des bactériophages, et établir une taxonomie, il faut pouvoir les détecter de la façon la plus exhaustive possible, puis éventuellement les isoler et les cultiver pour les caractériser plus précisément.

Pour déceler un phage donné, on a la possibilité d’introduire son hôte dans l’échantillon à tester, et d’attendre de voir s’il s’y produit de la lyse. L’hôte doit donc être connu et cultivable. Or, comme nous l’avons vu, il a été montré que la majorité des bactéries de l’environnement étaient non cultivables, ce qui limite fortement cette première approche. De plus, cette technique est restrictive puisqu’elle ne vise que les virus parasitant l’hôte mis en culture. Il existe d’autres méthodes ne nécessitant pas forcément la culture de l’hôte potentiel, comme par exemple la microscopie électronique, la cytométrie de flux, l’utilisation d’anticorps spécifiques, ou encore la génomique. Les prélèvements peuvent être concentrés de façon aspécifique (précipitation, centrifugation, filtration), ou bien spécifique avec une amplification sur un (ou plusieurs) hôte(s) potentiels.

La génomique est la méthode la plus exhaustive pour détecter les virus. Il n’existe pas de séquence équivalente à l’ARN ribosomique, utilisé pour différencier les bactéries et tous les organismes dits « vivants », qui soit conservée chez l’ensemble des virus et permette de les détecter systématiquement. Toutefois, on retrouve des séquences spécifiques des différents groupes de virus. On recherche donc les traces de ces séquences qu’on amplifie séparément, cela permet de remonter aux groupes de virus présents dans les échantillons analysés. Le polymorphisme de ces séquences est ensuite utilisé pour mesurer la diversité à l’intérieur de ces groupes (25). Cependant cette approche ne permet pas de découvrir des nouveaux groupes de virus puisqu’il faut avoir d’avance une séquence qui les caractérise. C’est pourquoi, il a été proposé d’étudier les métagènomes de virus. Les données obtenues sont quantitatives, et permettent d’estimer le nombre de génotypes et leur abondance relative dans un environnement. Les résultats sont surprenants : près de 5000 génotypes viraux différents dans 200L d’eau marine, jusqu’à 1 million par kilo de sédiment marin et entre 160 et 1200 dans l’intestin humain (25, 35).

Table des matières

INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
I. DECOUVERTE DES BACTERIES ET DES BACTERIOPHAGES
1. DECOUVERTE DES BACTERIES
2. DECOUVERTE DES VIRUS ET DES BACTERIOPHAGES
II. IMPORTANCE ECOLOGIQUE DE L’INTERACTION BACTERIE – BACTERIOPHAGE
1. IMPORTANCE NUMERIQUE DES POPULATIONS BACTERIENNES ET PHAGIQUES
2. ECOLOGIE BACTERIENNE
a. Détection et diversité des bactéries de l’environnement
b. Un maillon essentiel des réseaux trophiques
3. ECOLOGIE VIRALE
a. Détection des virus et diversité des bactériophages
b. Taxonomie des virus
c. Cycle de vie des bactériophages : bactériophages virulents et bactériophages tempérés
d. Spécificité d’hôte des virus
e. Transferts génétiques
4. IMPACT DE LA LYSE PAR LES BACTERIOPHAGES SUR L’ECOLOGIE BACTERIENNE
a. Recyclage des nutriments et influence sur le climat
b. Dynamique des populations phagiques et bactériennes
5. EVOLUTION DE L’INTERACTION BACTERIE – PHAGE
III. LA COEVOLUTION ANTAGONISTE BACTERIE – VIRUS
1. INFECTIVITE, PRODUCTIVITE, VIRULENCE ET RESISTANCE
2. THEORIE DE « LA REINE ROUGE »
3. DES MODELES THEORIQUES POUR ILLUSTRER LA COEVOLUTION ANTAGONISTE
a. Modèle « gène pour gène »
b. Modèle « aux allèles correspondants »
c. Un continuum de possibilités d’évolution, du modèle « gène pour gène » au modèle aux « allèles correspondants »
4. LES SYSTEMES BACTERIE – BACTERIOPHAGE EXPERIMENTAUX « CLASSIQUES »
a. E. coli B et les bactériophages T
b. E. coli O157:H7 et son phage
c. E. coli et un mutant lytique du phage Lambda
d. Pseudomonas fluorescens et son phage Phi2
e. P. syringae et Phi6
5. LIMITATIONS DE LA COEVOLUTION ANTAGONISTE
6. SITUATION D’EQUILIBRE
7. PARAMETRES DETERMINANTS POUR LA DYNAMIQUE DE COEVOLUTION
a. La valeur des coûts de résistance/virulence
b. Taille et densité de la population hôte
c. La compétition entre parasites pour un même hôte
d. La structuration de l’espace
e. Agitation et perturbations physiques
f. La migration
IV. LE SYSTEME EXPERIMENTAL E. COLI – PHIX174
1. E. COLI
a. Microorganisme modèle au laboratoire et outil en biotechnologie
b. Le lipopolysaccharide LPS d’E. coli, récepteur de PhiX174
c. Biosynthèse du noyau interne du LPS
d. Le LPS d’E. coli C et sa sensibilité à PhiX174
2. PHIX174
a. PhiX174, un petit Microviridae lytique
b. Occurrence et niche des Microvirus
c. Caractérisation physique de PhiX174
d. Génome de PhiX174
e. Reconnaissance du LPS des bactéries sensibles
f. Son cycle de vie
g. Expression des gènes de PhiX174
h. Mutations de résistance à PhiX174 chez E. coli
3. EXPERIMENTATIONS AVEC LE SYSTEME E. COLI – PHIX174
V. CONCLUSION

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