La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).
Les micro-organismes constituent un groupe très diversifié, ils existent à l'état de cellule isolée ou en groupe. Ils sont de petite taille.
Comment distinguer les cellules microbiennes des plantes ou des animaux ? Les cellules animales et végétales sont incapables de vivre à l'état isolé dans la nature ; elles sont toujours à l'état multicellulaire. Les virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise...) ne sont pas des micro-organismes car ils ne sont pas autonomes, ils ne peuvent pas se reproduire sans détourner la machinerie cellulaire d'un autre individu (Le Wiktionnaire est un projet de dictionnaire libre et gratuit similaire à Wikipédia (tous deux...).
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L'analyse de la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) a permis de déterminer deux groupes de micro-organismes : les procaryotes (ou bactéries, munis d'un proto-noyau) et les eucaryotes (munis d'un vrai noyau)
Les deux groupes se sont différenciés très tôt du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) phylogénétique.
Dépourvus de noyau complet, ils appartiennent à au moins deux taxons distincts :
Ces micro-organismes ont des mécanismes pour résister à ces conditions.
La systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) moderne phylogénétique amène à reclasser parmi les procaryotes des espèces autrefois classées dans le règne animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un...), végétal (Les classifications scientifiques classiques regroupent sous le terme végétal...), ou même fongique (normalement des espèces toutes eucaryotes selon la classification moderne du vivant).
De plus, les espèces eucaryotes multicellulaires (végétales comme animales) ne peuvent vivre sans la présence de certaines bactéries dans le milieu intercellulaire ou dans des organes cavitaires: elles participent à la synthèse (notamment chez les plantes fourragères qui utilisent des bactéries de la famille Rhizobium pour la synthèse et l’assimilation de l’azote) ou la dégradation (par exemple pour la digestion) de certains composés organiques et à la lutte active contre d’autres espèces bactériennes ou virales (pathogènes à cause de leur développement anarchique non symbiotique).
De même la microbiologie s’intéresse de plus en plus aux " espèces " pseudo-cellulaires (organites) présentes dans le noyau ou le cytoplasme (Le cytoplasme désigne le contenu d'une cellule vivante. Plus exactement, il s'agit de la...) de tous les eucaryotes et un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de procaryotes, où ils " vivent " en symbiose (La symbiose est une association intime et durable entre deux organismes...) parasitaire endogène (endocytose), et permet de penser que leur origine est celle des archéobactéries ou d'espèces encore plus anciennes.
Ce mode de colonisation des êtres cellulaires eucaryotes ou procaryotes est proche de celle utilisée dans un autre domaine du vivant, les virus, toujours classés dans aucun règne, aujourd’hui étudiés activement par la virologie (La virologie est l'étude des virus et des agents infectieux associés. Elle cherche à...) moderne, surtout pour les besoins de la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...) (traitements antiviraux, ou thérapie (Une thérapie est un ensemble de mesures appliquées par un thérapeute à une...) génique), mais aussi en botanique (La botanique est la science consacrée à l'étude des végétaux (du grec...) et zoologie (La zoologie (des termes grecs ζoον, zoon, animal, et...) pour les besoins agricoles (organismes génétiquement modifiés). Dans certains cas, des bactéries sont utilisées comme vecteurs de culture et de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de ces virus (souvent aussi génétiquement modifiés) chargés d’opérer les modifications génétiques cellulaires.
L’étude fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) des procaryotes est essentielle donc pour comprendre l’évolution de toutes les autres espèces des cinq règnes classiques et s’appuie aussi maintenant sur la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) plus récente en virologie et biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) moléculaire.
Les eucaryotes ont un système membranaire interne enfermant des organites (noyau, plaste (Le plaste est un organite présent dans les cellules des eucaryotes chlorophylliens (algues et...), mitochondrie (Une mitochondrie (du grec mitos, fil et chondros, grain) est un organite à l'intérieur...)...) ; ils présentent un cytosquelette interne (actine, tubuline) absent chez les procaryotes, qui leur confère une taille souvent plus importante que les procaryotes.
On estime que chaque groupe d'eucaryotes a eu un ancêtre parmi les procaryotes (archéobactéries ou eubactéries), et que les mitochondries (et peut-être aussi d'autres organites comme les chloroplastes) présents dans le noyau des eucaryotes actuels ont aussi eu au moins un ancêtre procaryote (Un procaryote (du latin pro, « avant » et du grec caryon,...) distinct qui aurait colonisé cette ancienne bactérie pour vivre en symbiose parasitaire (endosymbiose) avec elle et former tous les eucaryotes qui ne peuvent plus vivre sans elles.
En effet, on retrouve dans les mitochondries un cytosquelette interne spécifique, une structure membranaire externe complexe, un matériel génétique interne spécifique logé dans une zone plasmique appelée proto-noyau (dépourvu de membrane mais tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) de même structurée), même si les mitochondries ne peuvent se multiplier seules sans le concours de la cellule hôte (les mitochondries auraient perdu leurs facultés de reproduction qui ne leur étaient plus nécessaires, puisque la cellule hôte leur fournit pratiquement tout le matériel nécessaire à leur croissance et leur division).
Contrairement aux champignons et aux protozoaires, les algues ont des pigments chlorophylliens leur permettant de réaliser la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...).
Les algues sont présentes dans le sol, les plantes, l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) douce et l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.). Elles sont autotrophes.
Les champignons sont présents dans le sol, plantes, débris végétaux, lichen, parasites de l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo...), des animaux et des plantes.
Les champignons sont "absorbotrophes" : ils se nourrissent par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par...). Ils sécrètent des enzymes qui digèrent des polymères dans le milieu extérieur, ce mécanisme chimique transforme par exemple les glucides en monomères (petites molécules) qui sont ainsi absorbés.
Les protozoaires sont des êtres unicellulaires dépourvus de paroi cellulaire (contrairement aux algues). On en trouve dans le sol, l'eau douce, l'eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.), mais également comme parasites de l'homme et des animaux. Les protozoaires se nourrissent par pinocytose et endocytose car ils n'ont pas de paroi cellulaire.
Bien que non classés parmi les microbes, les règnes végétaux (avec affinité avec les algues) et animaux (avec affinité avec les protozoaires) sont aussi classés parmi des eucaryotes. Ils ne sont pas classés comme micro-organismes car ils ne vivent pas ni ne se reproduisent à l’état unicellulaire.
Comme signalé au début, les micro-organismes sont de très petite taille (d'où leur nom) :
Le rapport surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) sur volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) est directement influencé par la taille : si l'on considère une forme simple telle que la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...), la surface est proportionnelle au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) de la taille (4πr2 si r est le rayon de la sphère), alors que le volume est proportionnel au cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées....) de la taille (4/3πr3), le rapport surface/volume est donc inversement proportionnel à r (3/r).
Ceci conditionne la vitesse (On distingue :) à laquelle le micro-organisme (Un micro-organisme (du grec μικρός, mikrós,...) se nourrit : la nourriture passe à travers la membrane plasmique (La membrane plasmique, ou plasmalemme, est la membrane qui délimite une cellule, elle...), donc la vitesse d'absorption est proportionnelle à la surface, mais la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) à nourrir est proportionnelle au volume. La vitesse à laquelle entrent et sortent les nutriments et les déchets est donc inversement proportionnelle à la taille. Donc plus la bactérie est petite, plus elle va pouvoir se nourrir à grande vitesse. Elle compense sa petite taille par une multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire...) à très grande vitesse (taux de croissance très rapide).
Les micro-organismes ont besoin :
Les éléments carbone, azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de...), phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...) doivent être présents aux proportions 100/10/1 pour un milieu correct.
Il existe également des micro-organismes aérobies facultatifs capables de se multiplier en présence ou en l'absence d'oxygène grâce à leur capacité à utiliser la fermentation et des bactéries microaérophiles qui ne se développent qu'à une certaine pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) en dioxygène.
On distingue deux sortes de milieux de culture :
et parmi ces 2 types de milieux, il existe des milieux sélectifs (qui vont permettre de sélectionner le type de micro-organismes qui pourront s'y multiplier). On peut ainsi choisir de ne laisser se développer qu'un genre de bactérie donné (ex: milieu mFC pour les coliformes fécaux ou gélose au sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le...) pour certains pathogènes) ou au contraire de favoriser le développement des levures-moisissures en ajoutant un antibiotique au milieu. La température à laquelle on incubera les milieux inoculés constitue également un facteur de sélection comme mentionné plus haut.
Les milieux de culture peuvent contenir des extraits de levure (cellules de levure déshydratées et lysées) qui fournissent une source d'acides aminés, de vitamines et d'azote, des extraits de malt apportant une source de carbone, des peptones (protéines animales, de poisson (Dans la classification classique, les poissons sont des animaux vertébrés aquatiques...), de caséine (La caséine est une substance protéique (protéine) qui constitue la majeure partie...) de lait) source d'azote organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) qui intéresse les individus hétérotrophes.
Ces milieux sont soit liquides, soit solides. Pour solidifier le milieu on utilise fréquemment la gélose ou agar-agar (L'agar-agar (mot d'origine indonésienne-malaise, appelé E406 dans la liste des additifs...), un polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) de sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce...) tiré d'une algue rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) présentant la propriété de former avec l'eau un gel solide si la température est inférieure à 60°C.
La stérilisation est l'opération qui consiste à éliminer les micro-organismes d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) et ce, de manière durable. En microbiologie, le but de la stérilisation est d'une part maîtriser les micro-organismes introduits dans le milieu d'étude, et d'autre part éviter la contamination du milieu extérieur et des personnes (voir aussi l'article sur l'hygiène).
Il existe trois façons pour stériliser un milieu de culture. Une destruction par la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...), par une méthode de filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les...) ou par l'emploi de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se...) et d'agent chimique (gaz)
On distingue les procédés à chaleur " sèche " ou " humide ".
Cette technique ne détruit qu'une partie de la flore (La flore est l'ensemble des espèces végétales présentes dans un espace...) bactérienne. Ce n'est, en aucun cas, une technique de stérilisation.
La tyndallisation est une série de chauffages brefs à des températures de 70°C à intervalles réguliers (3 chauffages d'une heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...), 24 h entre 2 chauffages), ceci afin de laisser aux formes résistantes la possibilité de germer pour les tuer au chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) suivant. Par exemple, la destruction des germes pathogènes du lait se fait par un cycle de 63°C pendant 30 minutes suivie de 73°C pendant 15 minutes.
L'ébullition n'est pas une méthode de stérilisation. Les formes sporulées des bactéries résistent jusqu'à 8h30 à 100°C.
La filtration est une technique qui consiste à faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) à travers un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) dont les pores ont un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) de 0,2 µm ; les micro-organismes sont trop gros pour passer et sont donc retenus par le filtre. Pour forcer ce liquide à traverser le filtre on utilise deux solutions:
Cette technique est intéressante lors d'utilisation de produits thermolabiles (c'est-à-dire qui ne résistent pas à la chaleur) comme certains acides aminés aromatiques, vitamines, hormones de croissance, acides nucléiques et une bonne partie des antibiotiques. Cependant les filtres de 0.2 µm colmatent vite. On peut contourner ce problème en augmentant la surface du filtre ou en utilisant un procédé de filtration tangentielle.
Dans certains cas le filtre ayant servi à stopper les micro-organismes peut être déposé sur un milieu de culture solide afin de permettre la multiplication des germes, ceci dans le but de procéder à leur dénombrement et à leur identification.
Ces techniques sont utilisées par les industries dont l'alimentaire. Elles sont très pénétrantes car les radiations et certains gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) traversent le plastique et tuent les micro-organismes. Les rayons ultraviolets ne sont cependant pas une bonne technique de stérilisation car ils sont non pénétrants, donc ils ne passent pas au travers de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) comme le plastique et le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...). De plus certains micro-organismes sont capables de réparer les dommages infligés par les ultraviolets si le produit est éclairé après application de rayons ultraviolets; c'est le phénomène dit "de photo-réparation". On peut dans certains cas utiliser le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) gamma, beaucoup plus pénétrant et puissant que les ultraviolets.
Elle est basée sur la notion d'UFC (Unité Formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) une Colonie). Chaque unité cellulaire (une cellule, un groupe de cellules ou un morceau d'hyphe) va donner une colonie. Sur un milieu de culture, il y a formation d'un monticule de bactéries ou de levures avec une forme particulière (la colonie). La forme de ce monticule est déterminée par l'organisation (Une organisation est) de la colonie, qui elle-même est déterminée génétiquement. Les champignons vont, eux, développer un thalle (Un thalle est un appareil végétatif ne possédant ni feuilles, ni tiges, ni racines. Cette notion...) c'est-à-dire ce que l'on peut par exemple observer sur les confitures ayant "moisi". L'UFC est utilisée aussi pour le dénombrement bactérien en utilisant des cultures sur boîte à partir de tubes préparés par dilutions en cascades de la suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) bactérienne mère. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) macroscopique de l'aspect des colonies permet de différencier les colonies de bactéries contaminantes de celles qu'on cherche à isoler.
Cette technique sert à évaluer le nombre de microorganismes qui se trouvent dans un milieu liquide (eau de puits, boissons, eau de piscine...) ou dans un milieu solide (sol, aliments...). Elle peut aussi servir à isoler une souche pure à partir d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...). Il s'agit simplement d'une suite de dilutions suivie d'un prélèvement d'un aliquot qui sera étalé sur un milieu de culture qui pourra être sélectif ou non. Il suffira ensuite de compter le nombre de colonies, et connaissant le volume de l'aliquot (en général 1 mL sur une boîte), on en déduira la quantité approximative de bactéries dans le milieu (on considère qu'1 UFC correspond à 1 bactérie).
L'identification des bactéries se fait suivant une clé dichotomique qui va des caractères les plus vastes aux plus pointus pour aboutir à une espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...) bactérienne donnée.
L’étude de la morphologie bactérienne est le premier acte effectué par un laboratoire de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de...) pour identifier une bactérie. L'observation de la morphologie bactérienne permet une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) préliminaire du diagnostic.
A l'œil nu, on peut distinguer les caractéristiques d'une colonie:
La coloration de Gram permet de déterminer le type de paroi cellulaire.
Pour définir le mode de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) des bactéries, on parle de chimiotactisme. La bactérie évoluant dans un milieu se déplace selon des gradients de concentration pour se rapprocher de sa "nourriture"
On identifie aussi une bactérie en observant si elle utilise tel ou tel substrat. On la met donc en contact dans un milieu de culture avec un glucide (Les glucides sont une classe de molécules organiques contenant un groupement carbonyl...), ou un peptide, ou d'autres substrats plus complexes. On peut révéler l'utilisation de ce substrat par virage (changement de couleur) d'un indicateur de pH (Les indicateurs colorés de pH (ou indicateurs acide-base) sont des molécules qui ont la...) car un glucide utilisé donne un produit acide, un peptide donne un produit basique, etc. Chaque famille de bactéries a des caractères propres, on peut donc les rassembler facilement avec des caractéristiques de base comme l'utilisation du glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est...) avec ou sans oxygène, la réduction des nitrates, etc. Ensuite, on dispose de galeries d'identifications biochimiques qui sont parfois vendues par des sociétés spécialisées. Ces tests sont assez longs, de un à deux jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...).
On peut citer des techniques de génie génétique (Le génie génétique (ou ingénierie génétique) est un ensemble de...) comme:
- la PCR (Polymérase Chaine Reaction) pour cibler un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) présent uniquement chez une famille ou un genre bactérien par réhybridation spécifique de courtes séquences d'ADN (oligonucléotides amorces) synthétiques précises.
- les puces à ADN qui utilisent le même principe mais ayant une précision allant jusqu'à la souche même.
La systématique permet d'identifier une souche bactérienne inconnue grâce à différents examens et à l'utilisation de milieux de culture spécifiques.
La coloration de Gram et les tests de la catalase et de l'oxydase permettent de déterminer la famille. Des milieux de cultures spécifiques permettent d'arriver au genre et à l'espèce. Des examens supplémentaires tels que le sérogroupage (Le sérogroupage est une technique immunologique consistant à la mise en évidence d'antigènes...) peuvent être utilisés dans certains cas.
Classement des entérobactéries :
Ont peut citer les agents suivants :
à suivre
Les antibiotiques sont des substances chimiques qui ont une action spécifique avec le pouvoir de limiter la prolifération de bactéries spécifiques. Elles sont dépourvues de toxicité (La toxicité (du grec τοξικότητα...) pour les autres cellules (champignons et autres eucaryotes). Ces molécules peuvent avoir une action drastique, c'est-à-dire bactéricide; leur efficacité peut être également limitée à empêcher le développement des bactéries (on parle alors d'action bactériostatique).
Voir l'article détaillé Antibiotique.
Voir l'article Antibiotique > Les résistances aux antibiotiques.
C'est le pouvoir ou la capacité des bactéries à augmenter leur nombre ; il est en fonction du type de bactéries (thermophyles / mésophyles / pscychrophyles / pscychrotrophes / etc.) Quand des bactéries sont incubées dans un milieu liquide adéquat, elles continuent généralement à se multiplier de façon exponentielle (La fonction exponentielle est l'une des applications les plus importantes en analyse, ou plus...) jusqu'à ce qu'un facteur nécessaire à leur croissance approche de l'épuisement et devienne limitant ou que des produits métabolites inhibiteurs (acides organiques, alcools, ammoniaque (L'ammoniaque, ou hydroxyde d'ammonium, (NH4OH) est une solution aqueuse formée à partir...), etc.) s'accumulent exagérément. Cette culture, pratiquée sans addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la...) de nutriment ni élimination de déchets en cours de croissance, s'appelle une culture en milieu discontinu ou en batch qui constitue un système clos. Une culture de ce type se comporte comme un organisme muticellulaire avec une limitation de croissance génétiquement déterminée.
On peut représenter graphiquement la croissance d'une culture de ce type en portant le logarithme (En mathématiques, une fonction logarithme est une fonction définie sur à valeurs dans ,...) du nombre de cellules viables en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) obtenue pourra être divisée en quatre phases : 1- phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de latence = x, 2- phase de croissance logarithmique de x à X, 3- phase stationnaire = X et 4- phase de décroissance exponentielle de X à 0.
En présence de deux sources de carbone, les bactéries exhibent une courbe de croissance biphasique. L'analyse de ce comportement à permis à Jacques Monod de définir la notion d'opéron.