13.1 : Diversité procaryote

Les procaryotes sont présents partout. Ils recouvrent toutes les surfaces imaginables où il y a suffisamment d'humidité et ils vivent sur et à l'intérieur d'autres êtres vivants. Il y a plus de procaryotes à l'intérieur et à l'extérieur du corps humain que de cellules humaines dans le corps. Certains procaryotes prospèrent dans des environnements inhospitaliers pour la plupart des autres êtres vivants. Les procaryotes recyclent les nutriments, des substances essentielles (comme le carbone et l'azote), et ils stimulent l'évolution de nouveaux écosystèmes, dont certains sont naturels tandis que d'autres sont créés par l'homme. Les procaryotes sont présents sur Terre bien avant l'apparition de la vie multicellulaire.

Diversité procaryote

L'avènement du séquençage de l'ADN a permis de mieux comprendre les relations et les origines des procaryotes, ce qui n'était pas possible avec les méthodes de classification traditionnelles. Une découverte majeure a permis d'identifier deux groupes de procaryotes qui se sont révélés aussi différents l'un de l'autre que les eucaryotes. Cette reconnaissance de la diversité procaryote a permis de mieux comprendre la classification de toutes les formes de vie et nous a permis de mieux comprendre les relations fondamentales entre tous les êtres vivants, y compris nous-mêmes.

Les débuts de la vie sur Terre

Où et quand est-ce que la vie a commencé ? Quelles étaient les conditions sur Terre lorsque la vie a commencé ? Les procaryotes ont été les premières formes de vie sur Terre et ils ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. La Terre a environ 4,54 milliards d'années. Cette estimation est basée sur des preuves provenant de la datation du matériau des météorites, étant donné que les roches de surface de la Terre ne sont pas aussi anciennes que la Terre elle-même. La plupart des roches disponibles sur Terre ont subi des changements géologiques qui les ont rendues plus jeunes que la Terre elle-même. Certaines météorites sont fabriquées à partir du matériau d'origine du disque solaire qui a formé les objets du système solaire, et elles n'ont pas été modifiées par les processus qui ont modifié les roches de la Terre. Ainsi, l'âge des météorites est un bon indicateur de l'âge de la formation de la Terre. L'estimation initiale de 4,54 milliards d'années a été obtenue par Clare Patterson en 1956. Son travail méticuleux a depuis été corroboré par des âges déterminés à partir d'autres sources, qui indiquent tous un âge de la Terre d'environ 4,54 milliards d'années.

La Terre primitive avait une atmosphère très différente de celle d'aujourd'hui. Les preuves indiquent qu'au cours des 2 premiers milliards d'années d'existence de la Terre, l'atmosphère était anoxique, c'est-à-dire qu'il n'y avait pas d'oxygène. Par conséquent, seuls les organismes qui peuvent se développer sans oxygène, les organismes anaérobies, ont pu vivre. Les organismes qui convertissent l'énergie solaire en énergie chimique sont appelés phototrophes. Des organismes phototrophes nécessitant une source organique de carbone sont apparus moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre. Ensuite, les cyanobactéries, également appelées algues bleu-vert, ont évolué à partir de ces simples phototrophes un milliard d'années plus tard. Les cyanobactéries peuvent utiliser le dioxyde de carbone comme source de carbone. Les cyanobactéries (Figure\(\PageIndex{1}\)) ont amorcé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de la concentration en oxygène a permis l'évolution d'autres formes de vie.

Figure\(\PageIndex{1}\) : Cette source thermale du parc national de Yellowstone coule au premier plan. Au printemps, les cyanobactéries sont vertes et, à mesure que l'eau coule le long du gradient thermique, l'intensité de la couleur augmente en raison de l'augmentation de la densité cellulaire. L'eau est plus fraîche aux bords du cours d'eau qu'au centre, ce qui donne aux bords un aspect plus vert. (crédit : Graciela Brelles-Mariño)

Avant que l'atmosphère ne s'oxygéne, la planète était soumise à de fortes radiations ; ainsi, les premiers organismes auraient prospéré là où ils étaient mieux protégés, par exemple dans les profondeurs des océans ou sous la surface de la Terre. À cette époque également, une forte activité volcanique était courante sur Terre. Il est donc probable que ces premiers organismes, les premiers procaryotes, se soient adaptés à des températures très élevées. Ce ne sont pas les environnements tempérés typiques dans lesquels la plus grande partie de la vie s'épanouit aujourd'hui ; nous pouvons donc en conclure que les premiers organismes apparus sur Terre ont probablement été capables de résister à des conditions difficiles.

Les tapis microbiens peuvent représenter les premières formes de vie sur Terre, et il existe des preuves fossiles de leur présence, datant d'il y a environ 3,5 milliards d'années. Un tapis microbien est un grand biofilm, une feuille multicouche de procaryotes (Figure\(\PageIndex{2}\) a), comprenant principalement des bactéries, mais aussi des archées. Les tapis microbiens ont une épaisseur de quelques centimètres et poussent généralement sur des surfaces humides. Leurs différents types de procaryotes suivent des voies métaboliques différentes et, pour cette raison, ils reflètent différentes couleurs. Les procaryotes d'un tapis microbien sont maintenus ensemble par une substance gélatineuse qu'ils sécrètent.

Les premiers tapis microbiens tiraient probablement leur énergie des évents hydrothermaux. Un évent hydrothermal est une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie. Avec l'évolution de la photosynthèse il y a environ 3 milliards d'années, certains procaryotes présents dans des tapis microbiens ont commencé à utiliser une source d'énergie plus largement disponible, la lumière du soleil, tandis que d'autres dépendaient encore des produits chimiques provenant des évents hydrothermaux pour se nourrir.

Figure\(\PageIndex{2}\) : (a) Ce tapis microbien pousse au-dessus d'un conduit hydrothermal dans l'océan Pacifique. Les cheminées, comme celle indiquée par la flèche, permettent aux gaz de s'échapper. (b) Cette photo montre des stromatolites vieux de près de 1,5 milliard d'années trouvés dans le parc national des Glaciers, dans le Montana. (crédit a : modification des travaux par le Dr Bob Embley, NOAA PMEL ; crédit b : modification des travaux par P. Carrara, NPS)

Les tapis microbiens fossilisés représentent la plus ancienne trace de vie sur Terre. Un stromatolite est une structure sédimentaire formée lorsque des minéraux sont précipités dans l'eau par des procaryotes dans un tapis microbien (Figure\(\PageIndex{2}\) b). Les stromatolites forment des roches stratifiées faites de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites vivants ont été découverts dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego, dans le comté de San Diego, en Californie.

Certains procaryotes peuvent prospérer et se développer dans des conditions susceptibles de tuer une plante ou un animal. Les bactéries et les archées qui se développent dans des conditions extrêmes sont appelées extrêmophiles, ce qui signifie « amateurs des extrêmes ». Des extrêmophiles ont été trouvés dans des environnements extrêmes de toutes sortes, notamment dans les profondeurs des océans, dans les sources thermales, dans l'Arctique et l'Antarctique, dans des endroits très secs, au plus profond de la Terre, dans des environnements chimiques agressifs et dans des environnements à forte radiation. Les extrêmophiles nous permettent de mieux comprendre la diversité procaryote et ouvrent la voie à la découverte de nouveaux médicaments thérapeutiques ou d'applications industrielles. Ils ont également ouvert la possibilité de trouver de la vie dans d'autres endroits du système solaire, où les environnements sont plus rudes que ceux que l'on trouve habituellement sur Terre. Nombre de ces extrêmophiles ne peuvent pas survivre dans des environnements modérés.

Biofilms

Il y a encore quelques décennies, les microbiologistes considéraient les procaryotes comme des entités isolées vivant séparément. Ce modèle ne reflète toutefois pas la véritable écologie des procaryotes, dont la plupart préfèrent vivre dans des communautés où ils peuvent interagir. Un biofilm est une communauté microbienne maintenue dans une matrice à texture gommeuse, composée principalement de polysaccharides sécrétés par les organismes, ainsi que de certaines protéines et acides nucléiques. Les biofilms se développent en se fixant aux surfaces. Certains des biofilms les mieux étudiés sont composés de procaryotes, bien que des biofilms fongiques aient également été décrits.

Les biofilms sont présents presque partout. Ils obstruent les tuyaux et colonisent facilement les surfaces en milieu industriel. Ils ont joué un rôle dans de récentes épidémies de contamination bactérienne des aliments à grande échelle. Les biofilms colonisent également les surfaces domestiques, telles que les comptoirs de cuisine, les planches à découper, les éviers et les toilettes.

Les interactions entre les organismes qui peuplent un biofilm, ainsi que leur environnement protecteur, rendent ces communautés plus robustes que les procaryotes libres ou planctoniques. Dans l'ensemble, les biofilms sont très difficiles à détruire, car ils résistent à de nombreuses formes courantes de stérilisation.

Caractéristiques des procaryotes

Il existe de nombreuses différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes. Cependant, toutes les cellules ont quatre structures communes : une membrane plasmique qui agit comme une barrière pour la cellule et sépare la cellule de son environnement ; le cytoplasme, une substance gélatineuse à l'intérieur de la cellule ; le matériel génétique (ADN et ARN) ; et les ribosomes, où se produit la synthèse des protéines. Les procaryotes se présentent sous différentes formes, mais beaucoup se répartissent en trois catégories : les cocci (sphériques), les bacilles (en forme de bâtonnet) et les spirilles (en forme de spirale) (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Figure\(\PageIndex{3}\) : De nombreux procaryotes se répartissent en trois catégories de base en fonction de leur forme : (a) les cocci, ou sphériques ; (b) les bacilles, ou en forme de bâtonnets ; et (c) les spirilles, ou en forme de spirale. (crédit a : modification des travaux de Janice Haney Carr, Dr. Richard Facklam, CDC ; crédit c : modification des travaux du Dr David Cox, CDC ; données à l'échelle de Matt Russell)

La cellule procaryote

Rappelons que les procaryotes (Figure\(\PageIndex{4}\)) sont des organismes unicellulaires dépourvus d'organites entourés de membranes. Ils n'ont donc pas de noyau mais un seul chromosome, un fragment d'ADN circulaire situé dans une zone de la cellule appelée nucléoïde. La plupart des procaryotes ont une paroi cellulaire située à l'extérieur de la membrane plasmique. La composition de la paroi cellulaire diffère significativement entre les domaines Bactéries et Archées (et leurs parois cellulaires diffèrent également des parois cellulaires eucaryotes présentes chez les plantes et les champignons). La paroi cellulaire fonctionne comme une couche protectrice et est responsable de la forme de l'organisme. Certaines autres structures sont présentes chez certaines espèces procaryotes, mais pas chez d'autres. Par exemple, la capsule présente chez certaines espèces permet à l'organisme de se fixer aux surfaces et de le protéger de la déshydratation. Certaines espèces peuvent également avoir des flagelles (singulier, flagelle) utilisés pour la locomotion, et des pili (singulier, pilus) utilisés pour la fixation aux surfaces et à d'autres bactéries pour la conjugaison. Les plasmides, qui se composent de petits fragments circulaires d'ADN situés à l'extérieur du chromosome principal, sont également présents chez de nombreuses espèces de bactéries.

Figure\(\PageIndex{4}\) : Les caractéristiques d'une cellule bactérienne typique sont présentées.

Les bactéries et les archées sont des types de cellules procaryotes. Ils se distinguent par la composition lipidique de leurs membranes cellulaires et par les caractéristiques de leurs parois cellulaires. Les deux types de procaryotes ont les mêmes structures de base, mais celles-ci sont construites à partir de composants chimiques différents qui témoignent d'une ancienne séparation de leurs lignées. La membrane plasmique archéale est chimiquement différente de la membrane bactérienne ; certaines membranes archéologiques sont des monocouches lipidiques au lieu de bicouches de phosopholipides.

La paroi cellulaire

La paroi cellulaire est une couche protectrice qui entoure certaines cellules procaryotes et leur donne forme et rigidité. Il est situé à l'extérieur de la membrane cellulaire et empêche la lyse osmotique (éclatement provoqué par l'augmentation du volume). La composition chimique des parois cellulaires varie entre les archées et les bactéries, ainsi qu'entre les espèces bactériennes. Les parois cellulaires bactériennes contiennent du peptidoglycane, composé de chaînes de polysaccharides réticulées à des peptides. Les bactéries sont divisées en deux grands groupes : Gram positif et Gram négatif, en fonction de leur réaction à une procédure appelée coloration à Gram. Les différentes réponses bactériennes à la procédure de coloration sont causées par la structure de la paroi cellulaire. Les organismes à Gram positif ont une paroi épaisse composée de nombreuses couches de peptidoglycane. Les bactéries à Gram négatif ont une paroi cellulaire plus fine composée de quelques couches de peptidoglycane et de structures supplémentaires, entourée d'une membrane externe (Figure\(\PageIndex{5}\)).

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Figure\(\PageIndex{5}\) : Les bactéries sont divisées en deux grands groupes : Gram positif et Gram négatif. Les deux groupes ont une paroi cellulaire composée de peptidoglycanes : chez les bactéries à Gram positif, la paroi est épaisse, tandis que chez les bactéries à Gram négatif, la paroi est mince. Chez les bactéries à Gram négatif, la paroi cellulaire est entourée d'une membrane externe.

Laquelle des affirmations suivantes est vraie ?

1. Les bactéries à Gram positif ont une seule paroi cellulaire formée à partir du peptidoglycane.
2. Les bactéries à Gram positif ont une membrane externe.
3. La paroi cellulaire des bactéries à Gram négatif est épaisse et la paroi cellulaire des bactéries à Gram positif est mince.
4. Les bactéries à Gram négatif ont une paroi cellulaire constituée de peptidoglycane, tandis que les bactéries à Gram positif ont une paroi cellulaire composée de phospholipides.

Les parois cellulaires archéologiques ne contiennent pas de peptidoglycane. Il existe quatre types différents de parois cellulaires archéologiques. Un type est composé de pseudopeptidoglycane. Les trois autres types de parois cellulaires contiennent des polysaccharides, des glycoprotéines et des protéines de couche superficielle appelées couches S.

Reproduction

La reproduction chez les procaryotes est principalement asexuée et se fait par fission binaire. Rappelons que l'ADN d'un procaryote existe généralement sous la forme d'un chromosome circulaire unique. Les procaryotes ne subissent pas de mitose. La boucle chromosomique est plutôt répliquée, et les deux copies qui en résultent, fixées à la membrane plasmique, s'éloignent au fur et à mesure que la cellule se développe selon un processus appelé fission binaire. Le procaryote, maintenant agrandi, est pincé vers l'intérieur au niveau de son équateur, et les deux cellules qui en résultent, qui sont des clones, se séparent. La fission binaire ne permet pas de recombinaison génétique, mais les procaryotes peuvent modifier leur constitution génétique de trois manières.

Dans le cadre d'un processus appelé transformation, la cellule absorbe l'ADN présent dans son environnement qui est excrété par d'autres procaryotes, vivants ou morts. Un agent pathogène est un organisme qui cause une maladie. Si une bactérie non pathogène prélève l'ADN d'un agent pathogène et incorpore le nouvel ADN dans son propre chromosome, elle peut également devenir pathogène. Lors de la transduction, les bactériophages, les virus qui infectent les bactéries, transfèrent l'ADN d'une bactérie à l'autre. Les archées sont porteuses d'un ensemble différent de virus qui les infectent et transloquent le matériel génétique d'un individu à un autre. Lors de la conjugaison, l'ADN est transféré d'un procaryote à un autre au moyen d'un pilus qui met les organismes en contact les uns avec les autres. L'ADN transféré est généralement un plasmide, mais certaines parties du chromosome peuvent également être déplacées.

Les cycles de fission binaire peuvent être très rapides, de l'ordre de quelques minutes pour certaines espèces. Cette courte durée de génération associée aux mécanismes de recombinaison génétique entraîne l'évolution rapide des procaryotes, leur permettant de répondre très rapidement aux changements environnementaux (tels que l'introduction d'un antibiotique).

Comment les procaryotes obtiennent de l'énergie et du carbone

Les procaryotes sont des organismes métaboliquement divers. Les procaryotes occupent de nombreuses niches sur Terre, notamment en participant aux cycles des nutriments tels que les cycles de l'azote et du carbone, en décomposant les organismes morts et en se développant et se multipliant à l'intérieur des organismes vivants, y compris les humains. Différents procaryotes peuvent utiliser différentes sources d'énergie pour assembler des macromolécules à partir de molécules plus petites. Les phototrophes tirent leur énergie de la lumière du soleil. Les chimiotrophes tirent leur énergie de composés chimiques.

Maladies bactériennes chez l'homme

Des maladies et des fléaux dévastateurs transmis par des agents pathogènes, de nature virale et bactérienne, ont touché et continuent de toucher les humains. Il convient de noter que tous les procaryotes pathogènes sont des bactéries ; il n'existe aucune archée pathogène connue chez l'homme ou chez tout autre organisme. Les organismes pathogènes ont évolué aux côtés des humains. Dans le passé, la véritable cause de ces maladies n'était pas comprise et certaines cultures pensaient que les maladies étaient une punition spirituelle ou se trompaient sur les causes matérielles. Au fil du temps, les gens se sont rendu compte que le fait de rester à l'écart des personnes touchées, d'améliorer les installations sanitaires et de se débarrasser correctement des cadavres et des effets personnels des victimes de maladies réduisait leurs propres risques de tomber malades.

Perspective historique

Des cas de maladies infectieuses remontent à 3 000 ans avant notre ère. Un certain nombre de pandémies importantes causées par des bactéries ont été documentées sur plusieurs centaines d'années. Certaines des plus grandes pandémies ont entraîné le déclin des villes et des cultures. Beaucoup étaient des zoonoses apparues lors de la domestication des animaux, comme dans le cas de la tuberculose. Une zoonose est une maladie qui infecte les animaux mais qui peut être transmise de l'animal à l'homme.

Les maladies infectieuses restent parmi les principales causes de décès dans le monde. Leur impact est moins significatif dans de nombreux pays développés, mais ils sont d'importants déterminants de la mortalité dans les pays en développement. La mise au point d'antibiotiques a beaucoup contribué à réduire les taux de mortalité dus aux infections bactériennes, mais l'accès aux antibiotiques n'est pas universel et la surutilisation des antibiotiques a conduit au développement de souches de bactéries résistantes. Les efforts d'assainissement public visant à éliminer les eaux usées et à fournir de l'eau potable ont eu autant, voire plus, des résultats que les progrès de la médecine pour prévenir les décès causés par des infections bactériennes.

En 430 av. J.-C., la peste d'Athènes a tué un quart des troupes athéniennes qui combattaient pendant la Grande Guerre du Péloponnèse. La maladie a tué un quart de la population d'Athènes en plus de 4 ans et a affaibli la domination et le pouvoir d'Athènes. La source de la peste a peut-être été identifiée récemment lorsque des chercheurs de l'université d'Athènes ont pu analyser l'ADN de dents récupérées dans un charnier. Les scientifiques ont identifié des séquences nucléotidiques provenant d'une bactérie pathogène responsable de la fièvre typhoïde. ¹

Entre 541 et 750 après Jésus-Christ, une épidémie appelée peste de Justinien (probablement une peste bubonique) a éliminé, selon certaines estimations, un quart à la moitié de la population humaine. La population en Europe a diminué de 50 pour cent au cours de cette épidémie. La peste bubonique décimerait l'Europe plus d'une fois.

L'une des pandémies les plus dévastatrices a été la peste noire (1346 à 1361), qui aurait été une autre épidémie de peste bubonique causée par la bactérie Yersinia pestis. Cette bactérie est transmise par des puces vivant sur des rats noirs. La peste noire a réduit la population mondiale d'environ 450 millions à environ 350 à 375 millions. La peste bubonique a de nouveau durement frappé Londres au milieu des années 1600. Il y a encore environ 1 000 à 3 000 cas de peste dans le monde chaque année. Bien que le fait de contracter la peste bubonique avant les antibiotiques ait entraîné une mort quasi certaine, la bactérie répond à plusieurs types d'antibiotiques modernes et les taux de mortalité dus à la peste sont aujourd'hui très faibles.

CONCEPT EN ACTION

Regardez une vidéo sur la compréhension moderne de la peste noire (peste bubonique) en Europe au XIVe siècle.

Au fil des siècles, les Européens ont développé une résistance à de nombreuses maladies infectieuses. Cependant, les conquérants européens ont amené des bactéries et des virus pathogènes lorsqu'ils ont atteint l'hémisphère occidental, déclenchant des épidémies qui ont complètement dévasté les populations d'Amérindiens (qui n'avaient aucune résistance naturelle à de nombreuses maladies européennes).

La crise des antibiotiques

Le mot antibiotique vient du grec anti, qui signifie « contre », et bios, qui signifie « vie ». Un antibiotique est un produit chimique produit par un organisme qui est hostile à la croissance d'autres organismes. Les actualités et les médias d'aujourd'hui abordent souvent les préoccupations relatives à une crise des antibiotiques. Les antibiotiques utilisés pour traiter des infections bactériennes faciles à traiter par le passé sont-ils devenus obsolètes ? Existe-t-il de nouvelles « superbactéries », des bactéries qui ont évolué pour devenir plus résistantes à notre arsenal d'antibiotiques ? Est-ce le début de la fin des antibiotiques ? Toutes ces questions interpellent la communauté des soins de santé.

L'une des principales raisons de la résistance des bactéries est la surutilisation et l'utilisation incorrecte d'antibiotiques, par exemple le fait de ne pas suivre une cure complète d'antibiotiques prescrits. L'utilisation incorrecte d'un antibiotique entraîne la sélection naturelle de formes résistantes de bactéries. L'antibiotique tue la plupart des bactéries infectieuses et, par conséquent, seules les formes résistantes subsistent. Ces formes résistantes se reproduisent, ce qui entraîne une augmentation de la proportion de formes résistantes par rapport aux formes non résistantes.

Un autre problème est l'utilisation excessive d'antibiotiques chez le bétail. L'utilisation systématique d'antibiotiques dans les aliments pour animaux favorise également la résistance bactérienne. Aux États-Unis, 70 pour cent des antibiotiques produits sont administrés aux animaux. Les antibiotiques ne sont pas utilisés pour prévenir les maladies, mais pour améliorer la production de leurs produits.

Le Staphylococcus aureus, souvent appelé « staphylocoque », est une bactérie courante qui peut vivre dans et sur le corps humain et qui peut généralement être traitée facilement à l'aide d'antibiotiques. Une souche très dangereuse a toutefois fait la une des journaux ces dernières années (Figure\(\PageIndex{6}\)). Cette souche, Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (SARM), est résistante à de nombreux antibiotiques couramment utilisés, notamment la méthicilline, l'amoxicilline, la pénicilline et l'oxacilline. Bien que les infections au SARM soient fréquentes dans les établissements de santé, elles apparaissent plus fréquemment chez les personnes en bonne santé qui vivent ou travaillent en groupes denses (comme les militaires et les détenus). Le Journal of the American Medical Association a indiqué que, parmi les personnes atteintes de SARM dans les établissements de santé, l'âge moyen est de 68 ans, tandis que les personnes atteintes d'un « SARM associé à la communauté » (SARM CA) ont en moyenne 23 ans. ²

Figure\(\PageIndex{6}\) : Cette micrographie électronique à balayage montre une bactérie Staphylococcus aureus résistante à la méthicilline, communément appelée SARM. (source : modification des travaux de Janice Haney Carr, CDC ; données à l'échelle de Matt Russell)

En résumé, la société fait face à une crise des antibiotiques. Certains scientifiques pensent qu'après avoir été protégés des infections bactériennes pendant des années par des antibiotiques, nous sommes peut-être en train de revenir à une époque où une simple infection bactérienne pourrait à nouveau dévaster la population humaine. Les chercheurs travaillent à la mise au point de nouveaux antibiotiques, mais peu d'entre eux sont en cours de développement, et il faut de nombreuses années pour créer un médicament efficace et approuvé.

Maladies d'origine alimentaire

Les procaryotes sont partout : ils colonisent facilement la surface de tout type de matière, et la nourriture ne fait pas exception. Les épidémies d'infections bactériennes liées à la consommation alimentaire sont fréquentes. Une maladie d'origine alimentaire (familièrement appelée « intoxication alimentaire ») est une maladie résultant de la consommation d'aliments contaminés par des bactéries pathogènes, des virus ou d'autres parasites. Bien que les États-Unis disposent de l'un des approvisionnements alimentaires les plus sûrs au monde, le Center for Disease Control and Prevention (CDC) a indiqué que « 76 millions de personnes tombent malades, plus de 300 000 sont hospitalisées et 5 000 Américains meurent chaque année de maladies d'origine alimentaire ». ³

Les caractéristiques des maladies d'origine alimentaire ont évolué au fil du temps. Dans le passé, il était relativement fréquent d'entendre parler de cas sporadiques de botulisme, maladie potentiellement mortelle produite par une toxine de la bactérie anaérobie Clostridium botulinum. Une boîte, un bocal ou un emballage créait un environnement anaérobie approprié où Clostridium pouvait se développer. Des procédures de stérilisation et de mise en conserve appropriées ont permis de réduire l'incidence de cette maladie.

La plupart des cas de maladies d'origine alimentaire sont désormais liés à des produits contaminés par des déchets d'origine animale. Par exemple, de graves éclosions liées aux fruits et légumes ont été associées à des épinards crus aux États-Unis et à des germes de légumes en Allemagne (Figure\(\PageIndex{7}\)). L'épidémie d'épinards crus en 2006 a été provoquée par la souche O157:H7 de la bactérie E. coli. La plupart des souches d'E. coli ne sont pas particulièrement dangereuses pour les humains (elles vivent même dans notre gros intestin), mais la souche O157:H7 est potentiellement mortelle.

Figure\(\PageIndex{7}\) : (a) Les germes de légumes cultivés localement ont été à l'origine d'une épidémie européenne d'E. coli qui a tué 31 personnes et en a rendu malades environ 3 000 en 2010. (b) Les Escherichia coli sont montrés ici sur une micrographie électronique à balayage. La souche d'E. coli à l'origine d'une épidémie mortelle en Allemagne est une nouvelle souche qui n'a été impliquée dans aucune épidémie antérieure d'E. coli. Il a acquis plusieurs gènes de résistance aux antibiotiques et des séquences génétiques spécifiques impliquées dans la capacité d'agrégation et la virulence. Il a récemment été séquencé. (crédit b : Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH ; données à barre d'échelle fournies par Matt Russell)

Tous les types d'aliments peuvent potentiellement être contaminés par des bactéries nocives de différentes espèces. Les récents foyers de Salmonella signalés par les CDC se sont produits dans des aliments aussi divers que le beurre d'arachide, les germes de luzerne et les œufs.

CARRIÈRES EN ACTION : épidémiologiste

L'épidémiologie est l'étude de la survenue, de la distribution et des déterminants de la santé et de la maladie au sein d'une population. Elle est donc liée à la santé publique. Un épidémiologiste étudie la fréquence et la distribution des maladies au sein des populations humaines et des environnements.

Les épidémiologistes collectent des données sur une maladie particulière et suivent sa propagation afin d'identifier le mode de transmission initial. Ils travaillent parfois en étroite collaboration avec des historiens pour tenter de comprendre l'évolution géographique et temporelle d'une maladie, en suivant l'histoire naturelle des agents pathogènes. Ils recueillent des informations à partir des dossiers cliniques, des entretiens avec les patients et de tout autre moyen disponible. Ces informations sont utilisées pour développer des stratégies et concevoir des politiques de santé publique visant à réduire l'incidence d'une maladie ou à prévenir sa propagation. Les épidémiologistes mènent également des enquêtes rapides en cas d'épidémie afin de recommander des mesures immédiates pour la contrôler.

Les épidémiologistes ont généralement fait des études supérieures. Un épidémiologiste est souvent titulaire d'un baccalauréat dans un domaine et d'une maîtrise en santé publique (MPH). De nombreux épidémiologistes sont également médecins (et possèdent un doctorat en médecine) ou sont titulaires d'un doctorat dans un domaine connexe, tel que la biologie ou l'épidémiologie.

Procaryotes bénéfiques

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 et toute la vie sur cette planète ne seraient pas possibles sans les procaryotes.

Procaryotes et aliments et boissons

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 ». ⁴ 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 pour créer des produits avant même que le terme biotechnologie ne soit inventé. Certains produits et services sont aussi simples que le fromage, le yogourt, la crème sure, le vinaigre, les saucisses salées, la choucroute et les fruits de mer fermentés qui contiennent à la fois des bactéries et des archées (Figure\(\PageIndex{8}\)).

Figure\(\PageIndex{8}\) : Certains des produits dérivés de l'utilisation de procaryotes au début de la biotechnologie incluent (a) le fromage, (b) le salami, (c) le yogourt et (d) la sauce de poisson. (crédit b : modification d'une œuvre par Alisdair McDiarmid ; crédit c : modification d'une œuvre par Kris Miller ; crédit d : modification d'une œuvre par Jane Whitney)

La production de fromage a débuté il y a environ 4 000 ans lorsque les humains ont commencé à élever des animaux et à transformer leur lait. 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 et engrais) qui s'infiltrent du sol dans les eaux souterraines. Certains métaux toxiques, tels que le sélénium et les composés d'arsenic, peuvent également être éliminés de l'eau par bioremédiation. La réduction de\(\ce{SeO^{2−}4}\) to\(\ce{SeO^{2−}3}\) 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. Le mercure est un ingrédient actif de certains pesticides ; il est utilisé dans l'industrie et est également un sous-produit de certaines industries, telles que la production de batteries. Le mercure 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 probablement 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\(\PageIndex{9}\)) (Figure), 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 déjà présentes dans l'environnement à se développer. Les bactéries dégradant les hydrocarbures se nourrissent des hydrocarbures contenus dans les gouttelettes d'huile, les décomposant en composés inorganiques. 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. Dans des conditions idéales, il a été signalé que jusqu'à 80 % des composants non volatils du pétrole peuvent être dégradés dans l'année qui suit 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. Des chercheurs ont modifié génétiquement d'autres bactéries pour consommer des produits pétroliers ; en effet, la première demande de brevet pour une application de biorestauration aux États-Unis portait sur une bactérie mangeuse de pétrole génétiquement modifiée.

Figure\(\PageIndex{9}\) : (a) En nettoyant le 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)

Procaryotes dans et sur le corps

Les humains ne font pas exception lorsqu'il s'agit de nouer des relations symbiotiques avec les procaryotes. Nous avons l'habitude de nous considérer comme des organismes uniques, mais en réalité, nous sommes des écosystèmes ambulants. Il y a 10 à 100 fois plus de cellules bactériennes et archéologiques dans notre corps que de cellules dans notre corps. Certaines d'entre elles entretiennent des relations mutuellement bénéfiques avec nous, dans lesquelles l'hôte humain et la bactérie en bénéficient, tandis que d'autres sont classées dans la catégorie du commensalisme, un type de relation dans lequel la bactérie est bénéfique et l'hôte humain n'en est ni bénéfique ni lésé.

La flore intestinale humaine vit dans le gros intestin et comprend des centaines d'espèces de bactéries et d'archées, différents individus contenant différents mélanges d'espèces. Le terme « flore », généralement associé aux plantes, est traditionnellement utilisé dans ce contexte parce que les bactéries étaient autrefois classées comme des plantes. Les principales fonctions de ces procaryotes pour l'homme semblent être le métabolisme des molécules alimentaires que nous ne pouvons pas décomposer, l'aide à l'absorption des ions par le côlon, la synthèse de la vitamine K, l'entraînement du système immunitaire du nourrisson, le maintien du système immunitaire de l'adulte, le maintien de l'épithélium du gros intestin et formation d'une barrière protectrice contre les agents pathogènes.

La surface de la peau est également recouverte de procaryotes. Les différentes surfaces de la peau, telles que les aisselles, la tête et les mains, fournissent des habitats différents aux différentes communautés de procaryotes. Contrairement à la flore intestinale, les rôles bénéfiques possibles de la flore cutanée n'ont pas été bien étudiés. Cependant, les quelques études menées jusqu'à présent ont identifié les bactéries qui produisent des composés antimicrobiens comme étant probablement responsables de la prévention des infections par des bactéries pathogènes.

Les chercheurs étudient activement les relations entre diverses maladies et les modifications de la composition de la flore microbienne humaine. Certains de ces travaux sont réalisés par le Human Microbiome Project, financé aux États-Unis par les National Institutes of Health.

Résumé de la section

Les procaryotes existaient depuis des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. On pense que les tapis microbiens représentent les premières formes de vie sur Terre, et il existe des preuves fossiles, appelées stromatolites, de leur présence il y a environ 3,5 milliards d'années. Au cours des 2 premiers milliards d'années, l'atmosphère était anoxique et seuls les organismes anaérobies pouvaient vivre. Les cyanobactéries ont amorcé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de la concentration en oxygène a permis l'évolution d'autres formes de vie.

Les procaryotes (domaines Archaea et Bactéries) sont des organismes unicellulaires dépourvus de noyau. Ils ont un seul morceau d'ADN circulaire dans la zone nucléoïde de la cellule. La plupart des procaryotes ont une paroi cellulaire à l'extérieur de la membrane plasmique. Les bactéries et les archées diffèrent par la composition de leurs membranes cellulaires et les caractéristiques de leurs parois cellulaires.

Les parois cellulaires bactériennes contiennent du peptidoglycane. Les parois cellulaires archéennes ne contiennent pas de peptidoglycane. Les bactéries peuvent être divisées en deux grands groupes : Gram positif et Gram négatif. Les organismes à Gram positif ont une paroi cellulaire épaisse. Les organismes à Gram négatif ont une paroi cellulaire mince et une membrane externe. Les procaryotes utilisent diverses sources d'énergie pour assembler des macromolécules à partir de molécules plus petites. Les phototrophes tirent leur énergie de la lumière du soleil, tandis que les chimiotrophes l'obtiennent à partir de composés chimiques.

Les maladies infectieuses causées par des bactéries restent parmi les principales causes de décès dans le monde. L'utilisation excessive d'antibiotiques pour contrôler les infections bactériennes a entraîné la sélection de formes résistantes de bactéries. Les maladies d'origine alimentaire résultent de la consommation d'aliments contaminés, de bactéries pathogènes, de virus ou de parasites qui contaminent les aliments. Les procaryotes sont utilisés dans les produits alimentaires destinés aux humains. La bioremédiation microbienne consiste à utiliser le métabolisme microbien pour éliminer les polluants. Le corps humain contient une vaste communauté de procaryotes, dont beaucoup fournissent des services bénéfiques tels que le développement et le maintien du système immunitaire, la nutrition et la protection contre les agents pathogènes.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{5}\) : Lequel des énoncés suivants est vrai ?

1. Les bactéries à Gram positif ont une seule paroi cellulaire formée à partir du peptidoglycane.
2. Les bactéries à Gram positif ont une membrane externe.
3. La paroi cellulaire des bactéries à Gram négatif est épaisse et la paroi cellulaire des bactéries à Gram positif est mince.
4. Les bactéries à Gram négatif ont une paroi cellulaire constituée de peptidoglycane, tandis que les bactéries à Gram positif ont une paroi cellulaire composée de phospholipides.

Réponse

UN

Notes

1. 1 Papagrigorakis M.J., Synodinos P. N., Yapijakis C, « Une ancienne épidémie de typhoïde révèle la possibilité d'une souche ancestrale du sérotype Typhi de Salmonella enterica, Infect Genet Evol 7 (2007) : 126-7.
2. 2 Naimi, T.S., LeDell, K.H., Como-Sabetti, K., et al., « Comparaison des infections à Staphylococcus aureus résistantes à la méthicilline associées à la communauté et aux soins de santé », JAMA 290 (2003) : 2976-2984, doi : 10.1001/jama.290.22.2976.
3. 3 http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september, Centers for Disease Control and Prevention, « Multi-state outbreak of E. coli O157:H7 infections from spinach », septembre-octobre (2006).
4. 4 http://www.cbd.int/convention/articl...cles/ ? a=cbd-02, Convention des Nations Unies sur la diversité biologique, « Article 2 : Utilisation des termes ».

Lexique

anaérobie

fait référence aux organismes qui se développent sans oxygène

anoxique

sans oxygène

biofilm

communauté microbienne maintenue par une matrice à texture gommeuse

bioremédiation

l'utilisation du métabolisme microbien pour éliminer les polluants

Peste noire

une pandémie dévastatrice qui aurait été une épidémie de peste bubonique causée par la bactérie Yersinia pestis

botulisme

une maladie provoquée par la toxine de la bactérie anaérobie Clostridium botulinum

capsule

une structure externe qui permet à un procaryote de se fixer aux surfaces et le protège de la déshydratation

commensalisme

une relation symbiotique dans laquelle un membre bénéficie tandis que l'autre n'est pas affecté

conjugaison

le processus par lequel les procaryotes transfèrent l'ADN d'un individu à un autre à l'aide d'un pilus

cyanobactéries

bactéries qui ont évolué à partir des premiers phototrophes et qui ont oxygéné l'atmosphère ; également connues sous le nom d'algues bleu-vert

épidémie

une maladie qui touche simultanément un nombre anormalement élevé de personnes au sein d'une population

extrêmophile

un organisme qui se développe dans des conditions extrêmes ou rudes

maladies d'origine alimentaire

toute maladie résultant de la consommation d'aliments contaminés ou de bactéries pathogènes, de virus ou d'autres parasites qui contaminent les aliments

Gram négatif

décrit une bactérie dont la paroi cellulaire contient peu de peptidoglycane mais possède une membrane externe

Gram positif

décrit une bactérie qui contient principalement du peptidoglycane dans ses parois cellulaires

évent hydrothermal

une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie

tapis microbien

une feuille multicouche de procaryotes pouvant inclure des bactéries et des archées

MRSA

(Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline), souche très dangereuse de Staphylococcus aureus résistante aux antibiotiques

pandémie

une maladie épidémique généralisée, généralement mondiale

pathogène

un organisme ou un agent infectieux qui cause une maladie

peptidoglycane

un matériau composé de chaînes de polysaccharides réticulées à des peptides inhabituels

phototrophe

un organisme qui utilise l'énergie du soleil

pseudopeptidoglycane

un composant de certaines parois cellulaires d'Archaea

stromatolite

structure sédimentaire stratifiée formée par la précipitation de minéraux par les procaryotes dans des tapis microbiens

transduction

le processus par lequel un bactériophage déplace l'ADN d'un procaryote à un autre

transformation

un mécanisme de modification génétique chez les procaryotes dans lequel l'ADN présent dans l'environnement est introduit dans la cellule et incorporé au génome

Contributeurs et attributions

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