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Bactéries et virus

Des bactéries Escherichia coli. Document Dennis Kunkel.

Les parasites des cellules (I)

L'univers des microbes car c'est bien de cela qu'il s'agit quand on parle des bactéries et des virus, est un monde inconnu de la plupart d'entre nous. Pourtant nous allons voir que ces créatures font partie intégrale de notre corps et de la planète depuis l'aube des temps ou presque. En effet, comme ils l'ont expliqué dans la revue "eLife" en 2016, William E. Diehl de l'Université du Massachusetts et ses collègues ont découvert les traces de rétrovirus (le groupe auquel appartient le HIV-1 et le virus de la leucémie) dans l'ADN de mammifères fossilisés datant entre 15 et 30 millions d'années.

Quand on parle de microbes et principelement des virus, on les associe immédiatement aux infections et aux maladies. Médicalement parlant, les parasites cellulaires représentent un grand défi pour les chercheurs dans leurs combats quotidiens contre les maladies infectieuses. L’origine des maladies, la façon dont elles se développent et se propagent, ainsi que la diversité de leurs agents et leurs facultés mutagènes sont extraordinaires.

C'est tout cet univers résultat de dizaines et de centaines de millions d'années d'évolution que nous allons explorer.

Les bactéries

Les microbes ont peuplé tous les biotopes, de la haute atmosphère aux entrailles de la terre en passant par les abysses, qu'il fasse chaud, froid ou humide. Certaines bactéries sont actives dès leur naissance d'autres restent sous forme larvaire en état de stase parfois durant près d'un an, en attendant des conditions propices pour se développer et se reproduire.

On dénombre environ 1 million de bactéries dans une goutte d'eau de mer et environ 100 millions dans 1 gramme de terre et nous verrons que le corps humains en abritent des milliards. Ce monde comprend d'étonnantes créatures, utiles ou nuisibles, de toutes les tailles et de toutes les formes, toutes recherchant les conditions propices à leur développement et luttant pour survivre. Quant aux virus, ceux qui se propagent dans l'air jusqu'à 3000 m d'altitude sont environ 10 à 500 fois plus nombreux que les bactéries. Ils n'ont qu'une mission : rencontrer un organisme vivant pour pénétrer ses noyaux cellulaires et y injecter leur patrimoine génétique afin de créer des gènes viraux. Les conséquence de cette action dépendent des opportunités et du hasard. On y reviendra.

Microbe, bactérie ou virus ?

On qualifie de microbe tout micro-organisme généralement unicellulaire, y compris les archéobactéries (archaea) et certains champignons (funji). La plupart sont capables de survivre dans des conditions extrêmes et tolèrent un certain niveau de stress.

Une bactérie ou bacille est un organisme procaryote (sans noyau) mesurant entre 0.5 et 5 microns. Beaucoup ont une forme de bâtonnet, à l'origine de leur nom. Les bactéries seraient les plus anciens organismes vivants (mais le podium est sans doute partagé avec les champignons). La plupart des bactéries sont des parasites mais certaines sont inoffensives et nous aident par exemple à digérer. Elles se reproduisent de manière asexuée ou sexuée. Elles ne peuvent être détruites que par des bactériophages, des globules blancs, des virus bactériens (phages T4) ou des antibiotiques (des molécules soit naturelles à base de bactéries ou de champignons ou des molécules de synthèse). La bactérie la plus connue est Escherichia Coli.

Un virus est organisme parasitaire intracellulaire qui s'attaque aux cellules eucaryotes (à noyau). Ils sont en général dix fois plus petits que les bactéries (18 nm à 400 nm). Les bactériophages sont des virus infectant les cellules procaryotes (bactéries ou pseudo). Ils disposent d'un acide nucléique de nature ADN (95%) ou ARN (5%). Du fait qu'ils utilisent la machinerie d'une cellule hôte pour se développer et se reproduire, ils sont difficiles à tuer. En général les antibiotiques sont inefficaces. Les vaccins peuvent les tuer sinon il faut que le malade produise ses propres anticorps. Le plus commun est le rhume, un rhinovirus qui compte plus de cent variétés.

Grâce aux techniques de séquençage de l'ADN, les microbiologistes ont identifié plus de 10000 espèces de bactéries dont 95% étaient encore inconnues avant 1990. Dans le cadre du projet MetaHIT, entre 2008 et 2014 les chercheurs européens ont découvert pas moins de 500 nouvelles espèces de bactéries dans les intestins humains. Autrement dit, c'est tout un monde qu'ont découvert les chercheurs. Sur base statistique, on estime qu'il existerait des centaines de milliers voire des millions d'espèces de bactéries.

Grâce à ces découvertes, l'époque où les chercheurs étudiaient passivement les bactéries sur base de mises en cultures est révolu. Aujourd'hui, on peut étudier les gènes de leur ADN afin notamment de mieux comprendre de quelle manière elles deviennent résistantes aux antibiotiques. On y reviendra.

Les bactéries (et les virus) vivent soit en symbiose avec les animaux et les végétaux soit les parasitent et dérèglent leur physiologie avec parfois des effets mortels conduisant à l'extermination d'une population.

Concernant l'être humain, à l'image de la population humaine qui s'est adaptée à différents biotopes, il existe des espèces de bactéries préférant vivre au frais à la surface de l'épiderme, les unes au sec les autres sur des surfaces plus grasses par exemple ou au contraire préférant les régions chaudes et humides ou chimiquement très actives comme le tube digestif.

Des salmonelles S.typhimurium. Ces bactéries sont à l'origine de la fièvre typhoïde et de troubles intestinaux. Document NIAID.

Selon les microbiologistes, chaque centimètre carré de notre peau contient entre 1 million et 10 millions de bactéries. Même si nous nous lavons les mains et que la plupart d'entre elles disparaissent, du fait qu'elles sont omniprésentes et présentent un taux de reproduction élevé, leur population se reconstitue en une demi-heure.

Selon une étude publiée en 2016 dans la revue "PLoS Biology" par le biologiste Ron Senders de l'Institut des Sciences Weizmann d'Israël et ses collègues, sachant que 1 gramme d'excréments contient environ 100 milliards de bactéries, la majorité provenant de la flore intestinale, le corps d'un homme (20-30 ans, 70 kg, 1.70 m) abriterait en moyenne 39 mille milliards de bactéries (3.9x1013) contre 30 mille milliards de cellules humaines, soit un rapport de 1.3:1.

Selon la biologiste Lynn Margulis[1] de l'Université du Massachusetts à Amherst, étant donné que les cellules humaines sont plus massives que les microbes et que le corps contient environ 60% d'eau, "10% du poids sec d'un être humain [soit plusieurs kilos] sont composés de bactéries". Chez un adulte, le poids de la flore intestinale représente entre 1.5 et 2 kg de sa masse corporelle !

Mais ne soyez pas dégouté et ne vous inquiétez pas. Cette symbiose nous est généralement salutaire et même indispensable. Dès sa naissance le bébé né par les voies naturelles est déjà enduit de bactéries, il boit ensuite le lait maternel contenant des agents antimicrobiens et est au contact de la peau de ses parents qui le protègent des infections en renforçant son système immunitaire (ce qui expliquerait pourquoi les enfants nés par césarienne seraient plus sensibles aux maladies auto-immunes et à l'asthme notamment). Beaucoup parmi ces microbes sont essentiels à notre survie et nos défenses immunitaires veillent sur cette harmonie.

Ainsi la flore intestinale composée de bactéries, archées et autres protistes assure plus de 15000 fonctions. Ces microbes nous permettent d'assimiler les aliments et nous protègent des infections. Ils entretiennent nos muqueuses et synthétisent des vitamines, sans lesquels nous serions rapidement infectés par des bactéries pathogènes. Ces acteurs de l'ombre veillent à la bonne marche de notre système digestif et indirectement sur notre santé. 

Illustration de la flore intestinale. Doc Fotolia.

Ces bactéries sont tellement importantes pour notre bonne santé que dans des cas bien particuliers la matière fécale est utilisée comme traitement pour restaurer le microbiote intestinal (le gastro-entérologue réalise une transplantation fécale lors d'une coloscopie. On pourra bientôt prescrire des gélules - surnommées "crapsules" ou "cacapsules" - contenant une solution fécale congelée ou lyophilisée).

Les études récentes indiquent même que la flore intestinale aurait des effets sur notre santé mentale. Nous verrons à propos du rôle des virus dans l'évolution que le placenta est également le résultat d'une interaction des organismes mais cette fois avec un rétrovirus. Bien sûr, comme toute chose, il ne faut pas en abuser et la prolifération de certains bactéries peut évidemment être à l'origine d'infections et de contagions. On y reviendra.

Sachant cela, si quelqu'un vous dit que l'évolution se résume à "la survie du plus apte" comme le disait Darwin, c'est une métaphore un peu dépassée et même fausse. En effet, s'il n'avait dû compter que sur lui-même, l'être humain ne se serait jamais hissé au "sommet de l'évolution". Comme tous les métazoaires et en particulier les mamifères placentaires, nous sommes en fait le résultat d'une coopération continue faite d'interactions fortes et de dépendances mutuelles entre les différentes formes de vie, y compris les bactéries et les rétrovirus. Ce n'est pas une lutte pour survivre comme le souligne Margulis : "la vie n'a pas conquis la planète par la force et le combat, elle y a tressé son réseau. Les formes de vie se sont multipliées et complexifiées en en cooptant d'autres, et non pas en se contentant de les tuer". On peut donc fièrement considérer les bactéries non seulement comme nos ancêtres mais, à part quelques exceptions que nous allons décrire, également comme des organismes "amis". Voyons donc de quoi elles sont constituées et quelles sont leurs fonctions.

Microbiologie

Les bactéries sont des êtres unicellulaires procaryotes, sans noyau individuel et sans structure interne mais portant un chromosome de nature ADN. La plupart des bactéries sont entourées d’une paroi solide qui entoure la membrane cellulaire, dite plasmique. Cette paroi peut-être sphérique chez les bactéries cocci, cylindrique chez les bacilles ou encore hélicoïdale chez les spirilles, donnant aux bactéries la forme de filaments, de bâtonnets, de sphérules, etc.

Anatomie d'une bactérie. Source anonyme (D.R.).

Les bactéries vivent en colonies. Elles sont autonomes et capables de se reproduire. En moyenne une bactérie vit 20 minutes mais certaines vivent près d'une heure (Pseudomonas fluorescens se divise toutes les 52 minutes).

La bactérie la plus connue est Escherichia coli, déjà citée, un colibacille en forme de bâtonnet et couvert de poils, bien connue des laborantins. Elle réside en bonne intelligence dans notre tube digestif et notre intestin, fière représentante de la flore saprophyte (non pathogène ou non infectieuse).

Sa cousine Escherichia coli souche O157:H7 est par contre une tueuse. Vivant dans les aliments (hamburgers), elle provoque une diarrhée sanglante accompagnée de violentes douleurs abdominales. De plus, les toxines qu'elle sécrète sont susceptibles d’entraîner, en plus de la déshydratation, une anémie (perte de globules rouges), une thrombocytopénie (perte de plaquettes sanguines) et une insuffisance rénale aiguë (arrêt de la fonction rénale). L'issue fatale est heureusement rare.

Mais en comparant le matériel génétique de cette bactérie avec celui de sa cousine qui habite pacifiquement notre organisme, les scientifiques ont constaté qu’E.coli O157:H7 possède un millier de gènes de plus que les autres souches; un millier de gènes qui expliquent d’ailleurs le pouvoir destructeur du micro-organisme qui subit des mutations spontanées à un taux tellement rapide qu'il n’a jamais été observé chez un autre organisme vivant !

Il existe plusieurs mécanismes pour éliminer les bactéries :

- les défenses du système immunitaire, c'est-à-dire les différents types de globules blancs notamment que l'organisme peut produire. Ces défenses propres à chaque individu sont complétées chez les vertébrés par une immunité qui peut être innée (acquises à la naissance), adaptative ou spécifique et capable de fournir une réponse adaptée à l'intrus.

Les globules blancs ou leucocytes sont des macrocellules dont la taille varie entre 6 et 20 microns (contre 7 microns pour un globule rouge et dix fois moins pour les virus) mais elle peut atteindre 200 microns soit 0.2 mm. Différents types de leucocytes s'attaquent aux bactéries : il y a les cellules sanguines circulantes comme les neutrophiles (les plus nombreux) ou les monocytes et les cellules résidentes tissulaires comme les macrophages. Ces derniers peuvent vivre dans l'organisme plusieurs mois et même des années. Ces leucocytes sont capables de répondre de manière adaptative à la présence de tout entité étrangère, notamment les agents pathogènes et autres débris présents dans le sang.

Pour éliminer les bactéries et autres intrus, les macrophages et autres neutrophiles procèdent par phagocytose. Comme un prédateur suit la piste odorante de sa proie, les macrophages recherchent les protéines libérées dans le milieu par les bactéries jusqu'à les localiser. Ensuite, s'engage une réelle course poursuite car tous les intrus ne se laissent pas toujours attraper. Lorsque la bactérie est cernée par le macrophage, grâce à des cellules spécialisées présentes sur la surface du macrophage, chaque bactérie est engluée et isolée à l'intérieur d'une structure appelée le phagosome où des enzymes digestives détruisent la bactérie. Les résidus de cette décomposition sont inoffensifs et sont soit utilisés par la cellule soit éliminés de l'organisme avec l'urée.

Notons que si l'agent infectieux est trop puissant ou s'il s'agit d'une lésion (même sur l'épiderme), les mécanismes de défense de l'organisme réagissent immédiatement pour détruire les substances étrangères mais souvent de manière excessive en produisant une inflammation (allant de la rougeur à l'oedème purulent ou à l'ulcère) que l'organisme va essayer de combattre seul mais avec du temps et parfois sans succès soit grâce à des désinfectants ou des médicaments anti-inflammatoires.

- les virus bactériophages. Il s'agit de virus bactériens qui infectent les bactéries en insérant leur matériel génétique dans l’ADN de leur hôte afin de détruire la cellule au cours de la réplication. La plupart des virus sont bactériophages. On en reparlera.

A voir : Macrophage détruisant des bactéries par phagocytose, TLV

Bactéries phagocytées par des neutrophiles, TLV

Lymphocytes NK détruisant une cellule cancéreuse, TLV

A gauche, les globules blancs sont les armes de défense de notre système immunitaire. Les plus connus sont les Lymphocytes T qui arrivent à maturité dans le thymus (d'où le T). Ces cellules luttent contre les bactéries et tous les agents infectieux, y compris les greffons étrangers. La taille moyenne des globules blancs est de 20 microns. Au centre, des bactériophages T4 attaquant une bactérie E.Coli. A droite, cycle de vie d'un T4. Documents Bruce Blaus, Eye of Science/Science Source et Gopixpic adaptés par l'auteur.

Dans l'éventualité où le système immunitaire de la personne contaminée est affaibli, ses agents antibactériens sont incapables de contenir une infection et la maladie s'installe. Aussi, la piste des virus bactériophages reste une solution performante très prometteuse.

Comment agit un bactériophage ? Soit le microbe, généralement un virus, se sert des structures de son hôte pour se multiplier en le détruisant, soit son ADN, qui contient des fragments génétiques d’autres bactéries précédemment infectées, s’intègre à celui du germe qu’il a pris pour cible et se réplique avec lui, entraînant la mort de son hôte.

Dans des conditions qui leur sont favorables (environnement, pH, température, pression, potentiel d'oxydo-réduction), ainsi que nous l'avons dit la population des bactéries double toutes les 20 ou 30 minutes en moyenne. Ainsi, en l'espace de 1 heure une bactérie pour donner naissance à plus de 1 million d'individus. Cette prolifération d'agents pathogènes explique pourquoi une plaie non soignée et aussi petite soit-elle exposée à l'air subit rapidement une inflammation. En revanche, si le processus de cicatrisation a commencé, on observe une réduction de l'inflammation.

Une maladie contagieuse suit un processus différent. Après avoir contaminé son hôte, des milliards de bactéries pathogènes (et bien plus) sont en incubation dans le patient. Si la maladie n'est pas encore déclarée (avec des symptômes apparents), le patient peut voyager à travers le monde et contaminer les personnes qu'il croise. En 24 heures, ce sont des millions de milliards de vecteurs potentiels de maladie qui peuvent se disséminer dans la nature. C'est l'infection générale, l'épidémie.

Ce n'est donc pas sans raison que les pandémies sont des situations d'urgence, parfois catastrophiques quand elles entraînent la mort, et qu'on demande à chacun de se laver tous les jours et de se laver les mains plusieurs fois par jour. Nous verrons plus loin que la situation est encore plus dangereuse avec les virus.

Prochain chapitre

Des bactéries aux deux visages

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[1] Lynn Margulis et Dorion Sagan, "L'Univers bactériel”, Albin Michel, 1989, p23. Dorion Sagan est auteur, le fils de Lynn Margulis et Carl Sagan.


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