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Microbiologie

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 les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme extracellulaire ou...) 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 sont soutenus par la fondation Wikimedia).).

Portal Portail Microbiologie (La microbiologie est la science qui étudie les micro-organismes (ou microorganismes).)

Historique

  • Dès l'Antiquité, on postulait l'existence d'agents infectieux transmissibles invisibles à l'œil nu.
  • 1546 : Jérôme Fracastor impute la transmission des maladies à des germes vivants, qu'il appelait " seminaria ".
  • 1677 : Découverte des bactéries par le microscopiste hollandais Antoine van Leeuwenhoek.
  • 1828 : Christian Gottfried Ehrenberg utilise pour la première fois le terme bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées par une absence de noyau et d'organites. La plupart des...).
  • 1840 : Le pathologiste allemand Jacob Henle propose une " théorie des germes " pour les maladies.
  • 1857-1876 : Louis Pasteur met en évidence les rôles des micro-organismes dans la fermentation lactique et alcoolique. Il développe les techniques de pasteurisation et de stérilisation lui permettant la mise en place de cultures pures de micro-organismes. La possibilité de culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) a permis de démontrer que la génération spontanée était une aberration.
  • 1877-1895 : Louis Pasteur démontre que des maladies sont la conséquence de la présence de ces micro-organismes. Premières recherches systématiques sur l'origine de certaines maladies, ainsi que la vaccination (La vaccination est un procédé consistant à introduire un agent extérieur (le vaccin) dans un organisme vivant afin de créer une réaction immunitaire positive contre une maladie...) (connue depuis Edward Jenner pour la variole (La variole ou petite vérole est une maladie infectieuse d'origine virale, très contagieuse et épidémique, due à un poxvirus. Elle a...) - maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) virale).
  • 1873-1882 : Robert Koch met en évidence le bacille responsable de la tuberculose (La tuberculose est une maladie infectieuse transmissible et non immunisante, avec des signes cliniques variables. Elle est provoquée par une...) (Mycobacterium tuberculosis). Koch a établi les règles (toujours utilisées) qui permettent de démontrer rigoureusement qu'une bactérie donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) est à l'origine d'une infection.
  • 1884 : Hans Christian Gram développe une technique de coloration qui est la plus utilisée dans l'étude et la classification des bactéries en deux grands groupes : les bactéries à Gram positif (Les bactéries à gram positif sont mises en évidence par une technique de coloration appelée coloration de Gram. Les bactéries à gram positif apparaissent alors mauves au microscope. La technique de coloration repose sur les...) et celles à Gram négatif (Les bactéries à gram négatif sont mises en évidence par une technique de coloration appelée coloration de Gram. Les bactéries à gram négatif apparaissent...).
  • 1912 : Paul Ehrlich découvre le premier traitement efficace (dérivé d'arsenic) contre la syphilis. C'est la première fois qu'on traite avec un agent chimiothérapeutique une maladie bactérienne.
  • 1917 : Découverte des bactériophages par Frederick Twort et Felix d'Herelle.
  • 1928 : Frederick Griffith découvre la transformation bactérienne et établit les fondements de la génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les...) moléculaire.
  • 1929 : Alexander Fleming découvre les propriétés antibactériennes de la pénicilline produite par Penicillum. L'humanité entre dans l'ère des antibiotiques.
  • 1944 : Albert Schatz et Selman Waksman découvrent un autre antibiotique (Un antibiotique (du grec anti : « contre », et bios : « la vie ») est une molécule qui détruit ou bloque la croissance des bactéries....): la streptomycine qui sera bientôt utilisée contre la tuberculose.
  • 1960 : François Jacob, David Perrin, Carmen Sanchez et Jacques Monod proposent le concept d'opéron pour le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de l'expression des gènes bactériens.
  • 1977 : Carl Woese étudie l'ARN ribosomal pour découvrir une troisième forme de vie (La vie est le nom donné :), les Archae, distincte génétiquement des bactéries et des eucaryotes.
  • 1986 : En utilisant une enzyme de la bactérie Thermus aquaticus, Kary Mullis invente la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de PCR (Polymerase Chain Reaction). La technique de PCR est devenue l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande...) de base de la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des êtres vivants (ou...) moléculaire.
  • 1995 : Séquençage (En biochimie, le séquençage consiste à déterminer l'ordre linéaire des composants d'une macromolécule (les acides aminés d'une protéine, les nucléotides d'un acide nucléique comme l'ADN, les...) complet du premier génome (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le...) bactérien (Haemophilus influenzae) par Craig Venter et ses collègues du TIGR. La microbiologie entre dans l'ère de la génomique.

Classification

L'analyse de la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) 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)

  • procaryotes (groupe polyphylétique comprenant en fait des taxons de rangs distincts)
    • archaea, archéobactéries
    • eubactéries
  • eucaryotes (groupe monophylétique ou taxons simples)
    • algues
    • champignons
    • protozoaires

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 l'interprétation des rayonnements lumineux.) phylogénétique.

Caractéristiques

Les procaryotes (ou bactéries)

Dépourvus de noyau complet, ils appartiennent à au moins deux taxons distincts :

  • Les archéobactéries ou archées sont un groupe particulier, car il ne comprend essentiellement que des espèces anaérobies (n'ayant pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes...) d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), voire souvent ne tolérant pas l'oxygène), vivant dans des environnements extrêmes : on parle d'organisme extrémophile. Les environnements extrêmes sont à la limite des conditions tolérées par les cellules biologiques (milieu salin très acide (Un acide est un composé chimique généralement défini par ses réactions avec un autre type de composé chimique...) ou très alcalin, milieu à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) proche de l'ébullition). Les archéobactéries ne sont pas que des extrémophiles, ce sont aussi des organismes plus communs qui vivent dans des conditions de vie classique comme les marais (En géographie, un marais est un type de formation paysagère, au relief peu accidenté, où le sol est recouvert, en permanence ou par intermittence, d'une couche d'eau stagnante, en général...) ou les rumens des ruminants. Il ne faut pas associer systématiquement archéobactéries à des organismes extrêmes même si on retrouve parmi eux la plupart des extrémophiles.
  • On retrouve les eubactéries dans notre quotidien, sol, nourriture... Ce sont les bactéries les plus connues. Cependant certaines eubactéries sont aussi extrémophiles.

Ces micro-organismes ont des mécanismes pour résister à ces conditions.

Autres règnes

La systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne doit pas être confondue avec...) 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 être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de...), 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 de tous les eucaryotes et un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de procaryotes, où ils " vivent " en symbiose 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 moderne, surtout pour les besoins de la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain...) (traitements antiviraux, ou thérapie (Une thérapie est un ensemble de mesures appliquées par un thérapeute à une personne souffrant d'un problème de santé, dans le...) génique), mais aussi en botanique et zoologie 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 souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..)....) 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 de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) plus récente en virologie et biologie moléculaire.

Les eucaryotes

Les eucaryotes ont un système membranaire interne enfermant des organites (noyau, plaste, mitochondrie...) ; 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 (Le terme « procaryote » (Prokaryota ou Prokarya), du grec pro (avant) et caryon (noyau), est d'abord une référence à une structure cellulaire...) 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 l'univers.) 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).

Algue

Contrairement aux champignons et aux protozoaires, les algues ont des pigments chlorophylliens leur permettant de réaliser la photosynthèse.

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 organismes vivants connus.) 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.

Champignon

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 sapiens) ou plus simplement...), des animaux et des plantes.

Remarque : une levure (Une levure est un champignon unicellulaire apte à provoquer la fermentation des matières organiques animales ou végétales. Les levures sont employées pour la fabrication du vin, de la bière, des spiritueux,...), eucaryote unicellulaire, est un champignon. Il existe de nombreuses espèces de levures comme Saccharomyces cerevisiae (levure de boulangerie), la famille des Candida (responsables des candidoses), Rhodotorula (parfois retrouvée dans la choucroute qu'elle colore en rouge), Schizosaccharomyces, etc.

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 une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...). 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.

Protozoaire

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.

Autres règnes

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.

La taille des micro-organismes

Comme signalé au début, les micro-organismes sont de très petite taille (d'où leur nom) :

  • procaryotes (bactéries) : de l'ordre de 0,5 à 3 µm (pour la largeur), pas de limite en longueur ; le pouvoir séparateur de l'œil humain est de 100 µm (10-6m soit 0.1 mm), ces micro-organismes sont donc tous invisibles à l'œil nu.
  • eucaryotes : très variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un prédicat ou un algorithme. En statistiques, une variable...) de 2 à 200 µm (pour la largeur), pas de limite en longueur ; certains eucaryotes sont visibles à l'œil nu (notamment les algues), d'autres ne sont visibles que sous forme d'agrégats (cas des champignons, dont les parois plasmiques émettent des filaments sur une grande longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) relativement à leur taille). Tous les eucaryotes ne s'agrègent pas ainsi (notamment les protozoaires, invisibles à l'œil nu).

Le rapport surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) sur volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) est directement influencé par la taille : si l'on considère une forme simple telle que la sphère (Une sphère est une surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d'un point appelé centre. La valeur de cette distance commune au centre est appelée le rayon de la sphère....), la surface est proportionnelle au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles...) 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. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de l'espace. C'est un des cinq solides...) 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 (Les micro-organismes ou microbes sont des organismes vivants microscopiques (invisible à l'œil nu) et qui ne peuvent donc être observés qu'à l'aide...) se nourrit : la nourriture passe à travers la membrane plasmique, 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, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la...) 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 avec l'addition, la soustraction et la division .) à très grande vitesse (taux de croissance très rapide).

La culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La Culture peut...) des micro-organismes

Richesse du milieu

Les micro-organismes ont besoin :

  • D'une source d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.).
    • Pour les chimiotrophes, elle provient de la dégradation de composés chimiques (par exemple du glucose)
    • Pour les phototrophes, de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière...).
  • D'une source de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.)
    • Pour les autotrophes, il suffit de CO2 atmosphérique (carbone minéral).
    • Pour les hétérotrophes, elle provient de molécules organiques (CH4, oses...)
  • De macroéléments (Ainsi appelés en raison de leur concentration dans le milieu de culture)
C, H, O, N, S, Na, Mg, P, K

Les éléments carbone, azote (Table complète - Table étendue), phosphore doivent être présents aux proportions 100/10/1 pour un milieu correct.

  • De microéléments
Cu, Co, Zn, Cl, Fe...
  • D'une source d'azote
D'origine minérale (sel d'ammonium)
  • De facteurs de croissance
Vitamines, acides aminés
  • De dioxygène ou oxygène moléculaire
Pour les aérobies strictes
— ou —
d'absence de dioxygène (ou oxygène moléculaire) anaérobies stricts; pour ces micro-organismes, le peroxyde (Un peroxyde est un composé chimique de formule générale R-O-O-R', le groupe -O-O- étant appelé peroxyle (abrégé...) d'oxygène (H2O2) formé par la réaction entre l'O2 et l'H2O les empoisonnent, car ils ne possèdent pas une catalase dégradant H2O2 à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) des individus aérobies.

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 à la surface sur laquelle elle s'applique.) en dioxygène.

  • De facteurs physico-chimiques:
    • Pour le facteur température, on distingue trois catégories de micro-organismes selon leur optimum de croissance. Les psychrophiles ont leur optimum à 15 °C, les mésophiles à 37 °C, les thermophiles à 65 °C.
      Il faut descendre au-delà de -18 °C pour arrêter toute croissance microbienne. À 3 °C il y a peu de risques lié aux bactéries pathogènes (mésophiles, donc virulentes à la température du corps) ou toxinogènes, seules quelques bactéries vivant à ces températures peuvent être dangereuses (listéria).
    • Pour le facteur pH, on considère que les bactéries préfèrent la neutralité excepté pour les bactéries lactiques. Pour les levures et moisissures, le pH optimum est plus acide. (pH=5)

Diversité du milieu de culture

On distingue deux sortes de milieux de culture :

  • Synthétiques : milieux dont on peut donner la composition chimique complète. Les milieux synthétiques sont utilisés en recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la...).
  • Empiriques : milieux dont on ne connaît que partiellement la composition.

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 plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart des animaux. Un humain adulte est doté d’environ 5 litres de sang.) 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 à branchies, pourvus de nageoires et dont le corps est le plus...), de caséine de lait) source d'azote organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) qui intéresse les individus hétérotrophes.

Ces milieux sont soit liquides, soit solides. Pour solidifier le milieu on utilise fréquemment la gélose ou agar-agar, un polymère de sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement formé d'un...) tiré d'une algue rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) présentant la propriété de former avec l'eau un gel solide si la température est inférieure à 60°C.

La stérilisation

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 un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) 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 : Quelle chaleur !), par une méthode de filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux.) ou par l'emploi de radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une...) et d'agent chimique (gaz)

La chaleur

On distingue les procédés à chaleur " sèche " ou " humide ".

Figure 1 : Zone de stérilité d'un bec Bunsen.
Figure 1 : Zone de stérilité d'un bec (Un bec, au sens strict, est une structure anatomique externe qui permet la prise alimentaire et donc la nutrition chez les oiseaux. Mais il permet aussi la...) Bunsen.
  • Chaleur sèche  :
    • Bec Bunsen : tout l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) qui se trouve dans un globe virtuel de 15 cm de rayon de la flamme d'un bec Bunsen, est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps...) une fois dans la flamme. Ceci crée une enceinte fictive stérile. Les microbiologistes travaillent avec une flamme oxydante qui crépite.
    • Four (Un four est une enceinte maçonnée ou un appareil, muni d'un système de chauffage puissant, qui transforme, par la chaleur les produits et les...) Pasteur ou four Poupinel : C'est un four classique utilisé à 180°C pendant 90 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le terrain. Unités...) au minimum.
  • Chaleur humide :
    • Autoclave : cette technique consiste à faire bouillir de l'eau dans une enceinte close pour augmenter la pression et donc dépasser les 100°C d'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce phénomène est une vaporisation.) (principe de l'autocuiseur). Ceci est réalisé à 121°C pendant 15 minutes au minimum.

Cas particuliers : la pasteurisation et tyndallisation

Cette technique ne détruit qu'une partie de la flore (La flore est l'ensemble des espèces végétales présentes dans un espace géographique ou un écosystème déterminé (par opposition à la faune). Le terme « flore » désigne...) 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 elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en sciences...), 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 matériau.) 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

La filtration est une technique qui consiste à faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 et limité par les points du cercle ou de la sphère.) 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:

  • mise en pression du liquide par l'intermédiaire d'un piston.
  • aspiration du liquide en créant par exemple une enceinte dépressurisée de l'autre côté du filtre.

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.

Radiation et agent chimique

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 quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) 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 faire des objets.) comme le plastique et le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est...). 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 est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité...) gamma, beaucoup plus pénétrant et puissant que les ultraviolets.

Notion de culture pure

Technique des stries

Elle est basée sur la notion d'UFC (Unité Formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la...) 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 est à opposer à cormus. Les végétaux à thalles étaient précédemment...) 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 particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. Le fait de suspendre un objet En...) bactérienne mère. L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) macroscopique de l'aspect des colonies permet de différencier les colonies de bactéries contaminantes de celles qu'on cherche à isoler.

Technique de suspension dilution

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 qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi...). 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).

Identification des bactéries

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 » ou « apparence ») est le taxon de base de...) bactérienne donnée.

Critères morphologiques

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 δια-, dia-, „par, à travers, séparation,...) 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 à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) préliminaire du diagnostic.

Macroscopique

A l'œil nu, on peut distinguer les caractéristiques d'une colonie:

  • La forme du relief (Le relief est la différence de hauteur entre deux points. Néanmoins, ce mot est souvent employé pour caractériser la forme de la surface de la Terre.)
  • La taille
  • La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).)
  • L'aspect (collant, filamenteux...)
  • L'odeur
  • La transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est transparent dans le visible (on voit à...)
  • L'allure des contours

Microscopique

Coloration de Gram (La coloration de Gram doit son nom au bactériologiste danois Hans Christian Gram qui mis au point le protocole en 1884. C'est une coloration qui permet de mettre en évidence les...)
Les bactéries étant en général quasiment transparentes, on commence par préparer un étalement sur lame de microscope auquel on applique une coloration de Gram. Les bactéries à Gram positif apparaîtront mauves alors que celles à Gram négatif apparaîtront roses. Il existe d'autres colorations, comme par exemple celle au vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur,...) de malachite permettant de mettre en évidence les formes sporulées.

La coloration de Gram permet de déterminer le type de paroi cellulaire.

Forme
La forme est extrêmement diverse au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) du monde (Le mot monde peut désigner :) bactérien. Si on excepte les bactéries dépourvues de paroi (Mycoplasmes), qui peuvent être très polymorphes, la diversité est relativement restreinte pour les bactéries d’intérêt médical et vétérinaire. Parmi celles-ci, on distingue principalement des formes sphériques (cocci), cylindriques (bacille), spiralées (spirille), enroulées (spirochète) à appendice bourgeonnante ou filamenteuse.
Mode de groupement
Elles peuvent se regrouper en chaînes (Streptococcus, Enterococcus, Lactococcus...), en amas asymétriques ou grappes (Staphylococcus), en amas cubiques réguliers (sarcines), en palissades ou en paquets d’épingles (Corynebacterium)... Le mode de groupement, à condition de l’apprécier sur une culture jeune effectuée en milieu liquide et de tenir compte de l’aspect prédominant, est également un élément important pour orienter l'identification.
Taille
Les plus petites bactéries ont une taille de 0,1 à 0,2 micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) (Chlamydia) alors que certaines ont un diamètre supérieur à 10 micromètres. La plus grande bactérie connue (Thiomargarita namibiensis) peut atteindre un diamètre de 750 micromètres.
Présence de spore
Toutes les bactéries n'ont pas la possibilité de sporuler. Il faut noter que la totalité des bacilles à Gram + sporulent en situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il...) de stress (Le stress (« contrainte » en anglais), ou syndrome général d'adaptation, est l'ensemble des réponses d'un organisme soumis à des contraintes environnementales. Dans le...). Pour mettre en évidence les spores au microscope optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), il suffit de les colorer au vert de malachite. Mais on peut les deviner à la coloration de Gram (absence de coloration).
Mobilité
Les bactéries peuvent être équipées d'un ou plusieurs flagelle(s) leur permettant de se déplacer.

Pour définir le mode de déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture...) 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"

Capsule
La capsule est formée de polymères (polysaccharides ou protides) disposés en couches à la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) de la bactérie. Celle-ci permet à la bactérie d'adhérer aux surfaces (coloniser les surfaces) et d'échapper au système immunitaire car les antigènes de surface sont recouverts par la capsule qui les rend indétectables (pouvoir pathogène).

Critères biochimiques

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, 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 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 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 période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...).

Critères génétiques

On peut citer des techniques de génie génétique comme:

- la PCR (Polymérase Chaine Reaction) pour cibler un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la synthèse d'une chaîne de polypeptide ou d'un acide ribonucléique (ARN)...) 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.

Systématique bactérienne

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 structuraux bactériens permettant le diagnostic de sérovar ou sérogroupe. Son ancien nom est sérotypage.) peuvent être utilisés dans certains cas.

Coques à Gram positif et catalase positive

  • Famille des Micrococcaceae
    • Genre Micrococcus
    • Genre Staphylococcus

Coque à Gram positif et catalase négative

  • Famille des Streptococcaceae
    • Streptocoques des groupes A, B, C, D (Enterococcus), F & G

Coque à Gram négatif

  • Famille de Neisseriaceae
    • Genre Neisseria

Bacille à Gram positif

  • Genre Bacillus

Bacille à Gram négatif

  • Genre Pseudomonas
Oxydase négative

Classement des entérobactéries :

  • Famille des Salmonelleae
  • Famille des Escherichieae
    • Sérogroupage des Escherichiae Coli
    • Genre Shigella
  • Famille des Klebsielleae
    • Genre Klebsiella
    • Genre Enterobacter
    • Genre Serratia
  • Famille des Proteae
    • Genre Proteus
    • Genre Morganella
    • Genre Providencia
  • Famille des Yersinieae
Oxydase positive
  • Pseudomonas
  • Vibrio
  • Aeromonas

Les agents antibactériens

Les agents physiques

Ont peut citer les agents suivants :

  • La chaleur : à partir de 65°C, les protéines sont dénaturées, cependant certains micro-organismes sont capables de supporter des températures plus élevées.
  • Le pH : qu'il soit trop acide ou trop basique.
  • Les hautes pressions : à partir de 6 000 bars. Ainsi, c'est avec un traitement par la pression que l'on stérilise les jus de fruits produits en industrie.
  • L'Aw : moins il y a d'eau libre dans un milieu, moins les bactéries pourront se développer (Staphylococcus aureus se développe à partir d'une Aw de 0,83 )
  • Les UV : pour une longueur d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) voisine de 260 nm, ils détruisent tous les micro-organismes. Peu efficaces à travers les plastiques, ils sont utilisés pour stériliser l'air.
  • Les rayons gamma : comme les UV, ils sont très efficaces. Ils peuvent traverser tous les plastiques et servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) donc à la stériliser les instruments comme les fls chirurgicaux par exemple. Leur utilisation a été tentée pour les produits alimentaires, sans succès auprès du public.

Les agents chimiques

à suivre

Les antibiotiques

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 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.

Les résistances aux antibiotiques

Voir l'article Antibiotique > Les résistances aux antibiotiques.

La croissance bactérienne

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 généralement en mathématiques et dans ses domaines d'applications. Il existe...) 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, etc.) s'accumulent exagérément. Cette culture, pratiquée sans addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la réunion de quantités ou l'adjonction de grandeurs...) 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 , continue et transformant un produit en somme. Le logarithme de base a où a est un réel...) du nombre de cellules viables en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) obtenue pourra être divisée en quatre phases : 1- phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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.

Diauxie

Figure 4 : Courbe de croissance dans un milieu contenant deux glucides (par exemple : I : utilisation du glucose et II : utilisation du lactose).
Figure 4 : Courbe de croissance dans un milieu contenant deux glucides (par exemple : I : utilisation du glucose et II : utilisation du lactose).

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.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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