22.5 : Procaryotes bénéfiques

Compétences à développer

• Expliquer la nécessité de fixer l'azote et comment elle est réalisée
• Identifier les aliments dans lesquels des procaryotes sont utilisés lors de la transformation
• Décrire l'utilisation des procaryotes dans la bioremédiation
• Décrire les effets bénéfiques des bactéries qui colonisent notre peau et notre tube digestif

Les procaryotes ne sont pas tous pathogènes. Au contraire, les agents pathogènes ne représentent qu'un très faible pourcentage de la diversité du monde microbien. En fait, notre vie ne serait pas possible sans les procaryotes. Il suffit de penser au rôle des procaryotes dans les cycles biogéochimiques.

Coopération entre bactéries et eucaryotes : fixation de l'azote

L'azote est un élément très important pour les êtres vivants, car il fait partie des nucléotides et des acides aminés qui sont les éléments constitutifs des acides nucléiques et des protéines, respectivement. L'azote est généralement l'élément le plus limitatif des écosystèmes terrestres, l'azote atmosphérique, N ₂, constituant le plus grand réservoir d'azote disponible. Cependant, les eucaryotes ne peuvent pas utiliser l'azote gazeux atmosphérique pour synthétiser des macromolécules. Heureusement, l'azote peut être « fixé », c'est-à-dire qu'il est converti en ammoniac (NH ₃) de manière biologique ou abiotique. La fixation abiotique de l'azote se produit à la suite de la foudre ou de procédés industriels.

La fixation biologique de l'azote (BNF) est réalisée exclusivement par les procaryotes : bactéries du sol, cyanobactéries et Frankia spp. (bactéries filamenteuses interagissant avec des plantes actinorhiziennes telles que l'aulne, le myrtille et la fougère douce). Après la photosynthèse, la BNF est le deuxième processus biologique le plus important sur Terre. L'équation représentant le processus est la suivante

\[\text{N}_2 + 16\text{ATP} + 8\text{e}^- + 8\text{H}^+ \rightarrow 2\text{NH}_3 + 16\text{ADP} + 16\text{Pi} + \text{H}_2 \nonumber\]

où Pi signifie phosphate inorganique. La quantité totale d'azote fixée par le BNF est d'environ 100 à 180 millions de tonnes métriques par an. Les processus biologiques fournissent 65 pour cent de l'azote utilisé en agriculture.

Les cyanobactéries sont les fixateurs d'azote les plus importants dans les environnements aquatiques. Dans le sol, les membres du genre Clostridium sont des exemples de bactéries libres fixatrices d'azote. D'autres bactéries vivent en symbiose avec les légumineuses et constituent la source la plus importante de BNF. Les symbiotes peuvent fixer plus d'azote dans les sols que les organismes libres d'un facteur 10. Les bactéries du sol, collectivement appelées rhizobiums, peuvent interagir en symbiose avec les légumineuses pour former des nodules, des structures spécialisées où se produit la fixation de l'azote (Figure\(\PageIndex{1}\)). La nitrogénase, l'enzyme qui fixe l'azote, est inactivée par l'oxygène, de sorte que le nodule fournit une zone exempte d'oxygène pour la fixation de l'azote. Ce procédé fournit un engrais naturel et peu coûteux pour les plantes, car il réduit l'azote atmosphérique en ammoniac, qui est facilement utilisable par les plantes. L'utilisation de légumineuses est une excellente alternative à la fertilisation chimique et présente un intérêt particulier pour l'agriculture durable, qui cherche à minimiser l'utilisation de produits chimiques et à préserver les ressources naturelles. Grâce à la fixation symbiotique de l'azote, la plante profite de l'utilisation d'une source infinie d'azote : l'atmosphère. Les bactéries bénéficient de l'utilisation de photosynthates (glucides produits lors de la photosynthèse) provenant de la plante et d'une niche protégée. De plus, le sol bénéficie d'une fertilisation naturelle. Par conséquent, l'utilisation de rhizobiums comme biofertilisants est une pratique durable.

Pourquoi les légumineuses sont-elles si importantes ? Certains, comme le soja, sont des sources clés de protéines agricoles. Certaines des légumineuses à grains les plus importantes sont le soja, les arachides, les pois, les pois chiches et les haricots. D'autres légumineuses, comme la luzerne, sont utilisées pour nourrir le bétail.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Le soja (Glycine max) est une légumineuse qui interagit en symbiose avec la bactérie du sol Bradyrhizobium japonicum pour former des structures spécialisées sur les racines appelées nodules où se produit la fixation de l'azote. (crédit : USDA)

Biotechnologies anciennes : fromage, pain, vin, bière et yogourt

Selon la Convention des Nations Unies sur la diversité biologique, la biotechnologie est « toute application technologique qui utilise des systèmes biologiques, des organismes vivants ou des dérivés de ceux-ci, pour fabriquer ou modifier des produits ou des procédés destinés à un usage spécifique ». ¹ Le concept d' « utilisation spécifique » implique une sorte d'application commerciale. Le génie génétique, la sélection artificielle, la production d'antibiotiques et la culture cellulaire sont des sujets d'étude actuels en biotechnologie. Cependant, les humains ont utilisé des procaryotes avant même que le terme biotechnologie ne soit inventé. En outre, certains biens et services sont aussi simples que le fromage, le pain, le vin, la bière et le yogourt, qui utilisent à la fois des bactéries et d'autres microbes, tels que la levure, un champignon (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Figure\(\PageIndex{2}\) : Certains des produits dérivés de l'utilisation de procaryotes au début de la biotechnologie incluent (a) le fromage, (b) le vin, (c) la bière et le pain et (d) le yogourt. (crédit pain : modification de l'œuvre par F. Rodrigo/Wikimedia Commons ; crédit wine : modification de l'œuvre de Jon Sullivan ; crédit bière et pain : modification de l'œuvre par Kris Miller ; crédit yogourt : modification de l'œuvre par Jon Sullivan)

La production de fromage a débuté il y a environ 4 000 à 7 000 ans, lorsque les humains ont commencé à élever des animaux et à transformer leur lait. Dans ce cas, la fermentation préserve les nutriments : le lait se gâte assez rapidement, mais lorsqu'il est transformé en fromage, il est plus stable. En ce qui concerne la bière, les plus anciens documents de brassage datent d'environ 6 000 ans et se réfèrent aux Sumériens. Des preuves indiquent que les Sumériens ont découvert la fermentation par hasard. Le vin est produit depuis environ 4 500 ans et les preuves suggèrent que les produits laitiers de culture, tels que le yogourt, existent depuis au moins 4 000 ans.

Utiliser des procaryotes pour nettoyer notre planète : bioremédiation

La bioremédiation microbienne est l'utilisation de procaryotes (ou métabolisme microbien) pour éliminer les polluants. La biorestauration a été utilisée pour éliminer les produits chimiques agricoles (pesticides, engrais) qui s'infiltrent du sol dans les eaux souterraines et le sous-sol. Certains métaux et oxydes toxiques, tels que le sélénium et les composés d'arsenic, peuvent également être éliminés de l'eau par bioremédiation. La réduction du SeO ₄ ^-2 en SeO ₃ ^-2 et en Se ⁰ (sélénium métallique) est une méthode utilisée pour éliminer les ions sélénium de l'eau. Le mercure est un exemple de métal toxique qui peut être éliminé d'un environnement par bioremédiation. En tant que principe actif de certains pesticides, le mercure est utilisé dans l'industrie et est également un sous-produit de certains procédés, tels que la production de batteries. Le méthylmercure est généralement présent en très faibles concentrations dans les environnements naturels, mais il est très toxique car il s'accumule dans les tissus vivants. Plusieurs espèces de bactéries peuvent effectuer la biotransformation du mercure toxique en formes non toxiques. Ces bactéries, comme Pseudomonas aeruginosa, peuvent convertir le Hg ⁺² en Hg ⁰, qui n'est pas toxique pour l'homme.

L'un des exemples les plus utiles et les plus intéressants de l'utilisation de procaryotes à des fins de biorestauration est le nettoyage des déversements d'hydrocarbures. L'importance des procaryotes pour la biorestauration du pétrole a été démontrée lors de plusieurs déversements de pétrole ces dernières années, tels que le déversement de l'Exxon Valdez en Alaska (1989) (Figure\(\PageIndex{3}\)), le déversement de pétrole Prestige en Espagne (2002), le déversement en Méditerranée d'une centrale électrique au Liban (2006), et plus récemment , la marée noire de BP dans le golfe du Mexique (2010). Pour nettoyer ces déversements, la bioremédiation est favorisée par l'ajout de nutriments inorganiques qui aident les bactéries à se développer. Les bactéries dégradant les hydrocarbures se nourrissent des hydrocarbures contenus dans les gouttelettes d'huile, décomposant les hydrocarbures. Certaines espèces, comme Alcanivorax borkumensis, produisent des tensioactifs qui solubilisent l'huile, tandis que d'autres bactéries dégradent l'huile en dioxyde de carbone. Dans le cas de déversements de pétrole dans l'océan, une bioremédiation naturelle continue a tendance à se produire, dans la mesure où des bactéries consommatrices de pétrole se trouvaient dans l'océan avant le déversement. Outre les bactéries naturelles qui dégradent le pétrole, les humains sélectionnent et fabriquent des bactéries qui possèdent la même capacité avec une efficacité et un spectre accrus de composés hydrocarbonés pouvant être traités. Dans des conditions idéales, il a été signalé que jusqu'à 80 % des composants non volatils du pétrole peuvent être dégradés dans l'année suivant le déversement. D'autres fractions d'huile contenant des chaînes d'hydrocarbures aromatiques et hautement ramifiées sont plus difficiles à éliminer et restent dans l'environnement pendant de plus longues périodes.

Figure\(\PageIndex{3}\) : (a) Lors du nettoyage du pétrole après le déversement de Valdez en Alaska, les travailleurs ont arrosé le pétrole des plages, puis ont utilisé une rampe flottante pour capter le pétrole, qui a finalement été écrémé à la surface de l'eau. Certaines espèces de bactéries sont capables de solubiliser et de dégrader l'huile. (b) L'une des conséquences les plus catastrophiques des déversements d'hydrocarbures est l'endommagement de la faune. (crédit a : modification d'une œuvre par la NOAA ; crédit b : modification d'une œuvre par GOLUBENKOV, ONG : Saving Taman)

Connexion quotidienne : des microbes dans le corps humain

Les bactéries commensales qui peuplent notre peau et notre tractus gastro-intestinal font beaucoup de bien pour nous. Ils nous protègent des agents pathogènes, nous aident à digérer nos aliments et produisent certaines de nos vitamines et d'autres nutriments. Ces activités sont connues depuis longtemps. Plus récemment, des scientifiques ont recueilli des preuves selon lesquelles ces bactéries peuvent également aider à réguler notre humeur, à influencer notre niveau d'activité et même à contrôler notre poids en influant sur nos choix alimentaires et nos modes d'absorption. Le projet sur le microbiome humain a entamé le processus de catalogage de nos bactéries normales (et de nos archées) afin de mieux comprendre ces fonctions.

Un exemple particulièrement fascinant de notre flore normale concerne notre système digestif. Les personnes qui prennent de fortes doses d'antibiotiques ont tendance à perdre bon nombre de leurs bactéries intestinales normales, ce qui permet à une espèce naturellement résistante aux antibiotiques appelée Clostridium difficile de se développer et de provoquer de graves problèmes gastriques, en particulier des diarrhées chroniques (Figure\(\PageIndex{4}\)). De toute évidence, essayer de traiter ce problème avec des antibiotiques ne fait qu'empirer les choses. Cependant, il a été traité avec succès en administrant aux patients des greffes fécales provenant de donneurs sains afin de rétablir la communauté microbienne intestinale normale. Des essais cliniques sont en cours pour garantir la sécurité et l'efficacité de cette technique.

Figure\(\PageIndex{4}\) : Cette micrographie électronique à balayage montre Clostridium difficile, une bactérie à Gram positif en forme de bâtonnet qui cause de graves diarrhées. L'infection survient généralement après l'éradication de la faune intestinale normale par des antibiotiques. (source : modification des travaux par le CDC, le HHS ; données à l'échelle de Matt Russell)

Les scientifiques découvrent également que l'absence de certains microbes clés dans notre tractus intestinal peut nous exposer à divers problèmes. Cela semble particulièrement vrai en ce qui concerne le bon fonctionnement du système immunitaire. Des découvertes intrigantes suggèrent que l'absence de ces microbes contribue de manière importante au développement d'allergies et de certaines maladies auto-immunes. Des recherches sont actuellement en cours pour vérifier si l'ajout de certains microbes à notre écosystème interne peut aider à traiter ces problèmes ainsi que certaines formes d'autisme.

Résumé

Les agents pathogènes ne représentent qu'un faible pourcentage de tous les procaryotes. En fait, notre vie ne serait pas possible sans les procaryotes. L'azote est généralement l'élément le plus limitatif des écosystèmes terrestres ; l'azote atmosphérique, le plus grand réservoir d'azote disponible, n'est pas disponible pour les eucaryotes. L'azote peut être « fixé » ou converti en ammoniac (NH ₃) de manière biologique ou abiotique. La fixation biologique de l'azote (BNF) est réalisée exclusivement par les procaryotes. Après la photosynthèse, la BNF est le deuxième processus biologique le plus important sur Terre. La source la plus importante de BNF est l'interaction symbiotique entre les bactéries du sol et les légumineuses.

La bioremédiation microbienne consiste à utiliser le métabolisme microbien pour éliminer les polluants. La biorestauration a été utilisée pour éliminer les produits chimiques agricoles qui s'infiltrent du sol dans les eaux souterraines et le sous-sol. Les métaux et oxydes toxiques, tels que le sélénium et les composés d'arsenic, peuvent également être éliminés par bioremédiation. L'un des exemples les plus utiles et les plus intéressants de l'utilisation de procaryotes à des fins de biorestauration est probablement le nettoyage des déversements d'hydrocarbures.

La vie humaine n'est possible que grâce à l'action des microbes, à la fois ceux présents dans l'environnement et les espèces qui nous habitent. En interne, ils nous aident à digérer nos aliments, à produire des nutriments essentiels pour nous, à nous protéger des microbes pathogènes et à entraîner notre système immunitaire à fonctionner correctement.

Notes

1. 1 http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02, Convention des Nations Unies sur la diversité biologique : Article 2 : Utilisation des termes.

Lexique

fixation biologique de l'azote

conversion de l'azote atmosphérique en ammoniac réalisée exclusivement par les procaryotes

bioremédiation

utilisation du métabolisme microbien pour éliminer les polluants

biotechnologie

toute application technologique utilisant des organismes vivants, des systèmes biologiques ou leurs dérivés pour produire ou modifier d'autres produits

nodule

nouvelle structure sur les racines de certaines plantes (légumineuses) résultant de l'interaction symbiotique entre la plante et les bactéries du sol, est le site de fixation de l'azote