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Microbiologie

Vincent Phalip

Chapitre 1 : Introduction, historique et diversité microbienne Les micro-organismes sont des êtres vivants microscopiques donc non visibles à l’œil nu (en dessous de 200 microns). Ce sont des organismes relativement simples dans leur structure et leur fonctionnement. De plus, ils ne possèdent pas de cellules hautement différentiées (cellules dans différents organes ex : cellules de foie ≠ cellules de l’intestin) et donc elles ne forment pas de tissus distincts.

Les microorganismes dans leur ensemble ne sont pas visibles à l’œil nu mais ils peuvent former des structures qui sont visibles comme les cyanobactéries, formes aériennes venant de champignons, formes filamenteuses etc. Les microorganismes jouent un rôle majeur dans le recyclage des éléments essentiels. Ces cycles sont en équilibre dans les écosystèmes donc seront répartis dans les 3 compartiments qui constitue l’environnement (les sols, l’atmosphère et les eaux) : sans microorganismes ces cycles ne pourraient pas fonctionner. Les microorganismes sont également sources de nutriments : en effet ils sont mangés par les 1

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êtres vivants, ainsi ils alimentent les êtres vivants et également les plantes. Certains microorganismes font la photosynthèse. Donc en plus des cycles carbone, azote et souffre ils interviennent dans les cycles du CO2 et de l’O2. C’est le cas des cyanobactéries (verte car chlorophylle). Il existe une dualité entre les microorganismes bénéfiques pour l’environnement et les êtres vivants : ils permettent, par la fermentation, de produire des aliments, des boissons, d’antibiotiques et des vitamines. D’autres provoquent des maladies chez les animaux et les plantes. Impact des microorganismes dans les activités humaines : En agriculture, on cherche des microorganismes capables de fixer l’azote afin d’augmenter la concentration d’azote qui peut être utilisé par les plantes. En production animale, les microorganismes sont eux-mêmes capables de dégrader la cellulose (dans l’intestin des ruminants). Au niveau des aliments, on aura la fabrication d’aliments fermentés grâce aux microorganismes. Ce qui va permettre la conservation de l’aliment via la fermentation. De plus, les microorganismes sont capables de produits un certain nombre d’additifs alimentaires (sodium, glutamate, acide citrique, levure). Dans l’énergie/environnement, on retrouve les biocarburants (production méthane, éthanol, hydrogène). Ils peuvent être utilisés pour dépolluer les sols (bioremédiation). La biotechnologie avec la production de médicaments et les organismes génétiquement modifiés. Les maladies avec les traitements mais aussi l’identification de nouvelles maladies. En comparant les causes de mortalité entre 1900 et 2000 : on remarque qu’en 1900 les maladies microbiennes étaient en parti responsable du décès des personnes.

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Chez les microorganismes, on retrouve les microorganismes cellulaires et acellulaires. Les acellulaires sont les virus et les dérivés de virus qui sont des éléments infectieux constitués d’une molécule d’ARN (viroïdes ou virusoïdes) mais aussi les prions (agents responsables de la maladie de la vache folle). En ce qui concerne les microorganismes cellulaires, on retrouve les champignons, les bactéries, les protistes, les archées (micro-organismes primitifs unicellulaires dont la plupart vivent dans des écosystèmes très particuliers, extrêmes ph, température, salinité et sont également méthanogènes). Les microorganismes sont apparus extrêmement tôt dans l’évolution de la planète. La planète a 4,5 milliards d’années et on considère que les microorganismes sont apparus il y a 3,8 milliards d’années. Les cyanobactéries sont les premiers microorganismes apparus, elles ont enrichi les eaux puis l’atmosphère en oxygène pour arriver à une concentration d’oxygène suffisante pour permettre l’apparition d’organismes vivants terrestres. Les microorganismes sont ubiquitaires, on les retrouve dans l’atmosphère, les eaux et les sols. Mais on les retrouve également dans les animaux, dans les humaines, et dans les plantes.

Parmi les microorganismes majeurs, on retrouve les bactéries et les archéobactéries (procaryotes : pas de noyau). En effet, les bactéries sont des formes de vie cellulaire simples dans leur fonctionnement. Il s’agit de cellules procaryotes car sans noyau. Les bactéries ont donc un seul chromosome dans la cellule. Les bactéries sont très petites d’un ordre du micromètre.

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On ne peut pas les voir à l’œil nu mais on les observe facilement avec un microscope optique. Puis en jaune, on a les champignons et les levures (eucaryotes : noyau et plusieurs chromosomes). On a également les végétaux qui sont plus proches des champignons que des bactéries (paroi). En effet, ce sont des cellules eucaryotes avec beaucoup d’organites. Leurs mitochondries ont la taille des bactéries. Elles ont un métabolisme beaucoup plus complexe, elles produisent des enzymes complexes capables de s’attaquer à des substrats très variés, ce qui n’est pas le cas des bactéries.

I.

Les microorganismes : Historique

1. Première approche rationnelle On utilise dans l’histoire de l’humanité, les microorganismes, depuis des millénaires, et ça à travers les fermentations sans le savoir. Ex : fresque murale, peinture murale La première approche rationnelle a été faite par un italien qui travaillait sur la syphilis, il a compris qu’il devait y avoir des organismes vivants qui étaient responsables de cette maladie. Il a imaginé deux propriétés de ces organismes vivants : ils doivent être petits et doivent se reproduire.

2. Premiers microscopes Ensuite, on a eu la conception de plusieurs microscopes : Le premier microscope fut celui de Hooke en 1664 de grossissement x30. En 1669, Van Leeuwenhoek a travaillé sur un microscope de grossissement jusqu’à x300. Son appareil lui a permis de visualiser pour la première fois les microorganismes.

3. Polémique sur l’origine des fermentations Stahl (1746) et Liebig (1839) avait émis une origine chimique de la fermentation : des molécules étaient en perpétuel mouvement dans le mélange directionnel et que ces mouvements de collision entre les molécules, par choc physique entraîne la rupture de liaison entre le glucose pour donner de l’éthanol et du CO2 (plus petit plus stable). Puis Cagniard de la tour (1837) puis Pasteur (1860) ont émis l’hypothèse biologique donc des microorganismes qui prennent en charge la molécule de glucose pour le transformer en éthanol et CO2.

4. Microorganismes et pathogénicité a. Les postulats de Koch (1890) Koch a travaillé sur la propagation des maladies. On se demandait comment un microorganisme pouvait être responsable de la maladie. De ce fait il a développé un processus qui permet d’être certain de la responsabilité d’un microorganisme sur la maladie. - Si on a un animal malade, on peut, en faisant des isolements, détecter un agent pathogène suspecté responsable de la maladie, qu’on ne retrouvera pas chez un animal sain. 4

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En isolant ce pathogène suspecté, on pourra le re inoculer à un animal sain, et si c’est le pathogène, l’animal devient malade avec les mêmes symptômes. A partir de ce nouvel animal malade, on peut ré isoler le microorganisme identiquement au premier animal.

5. Évolutions et microbiologie moderne

II.

Propriétés générales

1. Nutrition L’eau est l’élément le plus essentiel car solubilise les nutriments ce qui permet leur déplacement. Elle permet également les réactions d’hydrolyse. Les sources d’énergie sont phototrophes et chimiotrophes. Les phototrophes sont les producteurs de matières organiques (protéines, 5

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lipides etc.) mais les chimiotrophes sont des consommateurs d’éléments organiques pour permettre de générer de l’énergie (animaux). L’azote (N) et les autres éléments minéraux doivent être trouvés dans le sol, d’autres microorganismes sont capables d’utiliser l’azote atmosphérique (N2). Les microorganismes pathogènes vont puiser l’azote chez leur hôte.

2. Production de métabolites : deux types

On distingue deux types de métabolites : - Primaire : Les molécules sont produites de manière parallèle à la croissance bactérienne - Secondaire : ils ont une production découplée de la croissance microbienne. Il y a d’abord production de la biomasse microbienne, puis il y a production de métabolite secondaire.

Les métabolites primaires ont des fonctions connues qui sont liées à l’identification des molécules car elles sont indispensables à la croissance du microorganisme. Ils sont ubiquitaires car présents partout. Les métabolites secondaires ont une fonction pour le microorganisme qui est généralement inconnu et sont souvent une espèce ou genre spécifique.

III.

La diversité microbienne

Ce sont les premiers à avoir coloniser les milieux. Les microorganismes contiennent 50% du carbone biologique et 90% de l’azote biologique. Il y a trois niveaux de diversité :

1. Diversité des cultivables On connaît des espèces de procaryotes (archées et bactéries) : environ 9300 espèces 6

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connues et pour les champignons environ 9800 espèces connues. On considère aujourd’hui que ces espèces ne correspondent qu’à 1% des bactéries totales de la planète. Pour les champignons on connaît environ 5 à 7% des champignons totaux.

2. Diversité des non-cultivables On dépose sur une boîte de pétri composé d’un milieu riche et l’on observe une colonie. Si on regarde au microscope, on observe une centaine de microorganismes. La différence correspond à ce qu’il y a dans le cultivable.

Afin d’appréhender la différence entre le cultivable et le non cultivable, on a la métagénomique : permet de caractériser l’ensemble des empreintes génomiques (gènes) dans un échantillon donné. On l’utilise également dans la police scientifique afin de confronter l’emprunte trouvée avec celle du ou des suspects.

En 2015, un nouvel antibiotique fut découvert mais c’était compliqué tant qu’on ne pouvait pas cultiver. Il a été rendu cultivable : à partir d’un échantillon du sol, les chercheurs ont déposé dans chaque trou sur une plaque trouée, un microorganisme. Ensuite, ils ont mis la plaque à incuber. Ils ont trouvé une très grande proportion de ces microorganismes ne se sont pas développés. Ils ont couvert la lame avec une membrane hémiperméable puis ils ont plongé cette lame dans l’échantillon de sol initial. Ainsi, il y a eu possibilité de transfert de petites molécules du sol vers chacune des cuves individuelles ou étaient les cellules. Il y a donc la croissance de 50 à 60% des microorganismes qui étaient dans la cuve. Ils ont découvert une molécule antibiotique qui est aujourd’hui en cours de développement. On pense qu’il y a plusieurs mécanismes notamment dû au stress environnemental (carences, température extrême, pression osmotique, oxygène, lumière…) ce qui va entraîner les microorganismes dans une activité métabolique limitée. C’est un mécanisme assez restreint car pourrait probablement être réservé aux organismes qui ne fabriquent pas de spores. 7

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La ressuscitation : Les cellules blessées récupèrent. Certaines cellules restent avec un métabolisme normal et donc la ressuscitation serait que ces cellules se multiplient et prennent le dessus sur les autres. Les cellules redeviennent cultivables quand on lève le stress environnemental. Dans une population microbienne on peut distinguer 3 types de cellules qu’on peut quantifier par une technique différente. - Cellules totales : on compte au microscope - Cellules viables : on utilise des colorants qui sont indicateur du métabolisme car si le métabolisme est actif le colorant se fixe sur les cellules - Cellules cultivables : mettre les cellules sur une boîte de pétri avec la dilution appropriée et on compte - Cellules VNC : viable et non cultivable - Mécanisme de ressuscitation : On élimine le stress thermique pour Vibrio ce qui revivifie l’ensemble de la population. - Système impliquant plusieurs organismes : Des parasites comme la Légionnelle chez l’amide, les cellules de la Légionnelle sont viables et non cultivables et redeviennent cultivables quand on les injecte dans les amibes. Ce qui signifie que lorsqu’on isole les Légionnelle dans un milieu de culture elles restent viables mais ne se développent pas car il leur manque quelque chose. De la même façon, on peut avoir deux espèces proches (sans qu’il y ait parasitisme) dont l’une va sécréter une molécule qu’on appelle facteur de croissance et qui permet donc à l’autre de se développer. Ainsi, celle qui produit le facteur de croissance peut se développer seul mais pas l’autre. Certaines espèces de Pseudomonas sont capables de produire des molécules qu’on appelle des sidérophores. Ce sont des molécules capables de capter le fer. En effet, le fer disponible dans le sol est à des concentrations extrêmement faible. Donc un très grand nombre de bactéries ne sont pas capables de capter le fer. C’est pour cela que les Pseudomonas utilisent le sidérophores pour capter le peu de fer car il y a affinité. Les sidérophores qui ont capté le fer reviennent dans la cellule et rendent le fer disponible dans le métabolisme. Certaines espèces captent le sidérophores même s’il ne vient pas d’eux.

3. Diversité métabolique Le pyruvate est pris en charge par différents microorganismes et produit donc des métabolismes différents. Ce sont des métabolites d’intérêt technologique et en particulier dans l’alimentation.

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Le champignon (mucor) : quand un organisme est nourri, on retrouve des voies métaboliques qui produisent 3 types de produits : - Des métabolites : acide lactique qui est un produit de la fermentation lactique. Actuellement l’acide lactique est un produit industriel très recherchée car il peut être polymérisés pour former l’acide poly lactique PLA, et ce PLA est le bioplastique le plus utilisé. - Les enzymes : les champignons filamenteux produits des enzymes utilisés dans les procédés industriels. Ex : pectinases utilisé dans la clarification des jus de fruits, cellulases utilisées dans les procédés de conception de biocarburants. - Biomasse : Le champignon va également produire de la biomasse dans un milieu de culture comportant des protéines, lipides, sucres… Ainsi, on a développé des produits à base de mycélium fongique comme le steak végétal.

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