Bactériophage - Définition
Un bactériophage (ou phage) est un virus n'infectant que des bactéries. En grec, phageton signifie nourriture/consommation. On les appelle également virus bactériens. Ce sont des outils fondamentaux de recherche et d'étude en génétique moléculaire. Les bactériophages servent entre autres, de vecteurs de clonage de gènes.
Les bactériophages sont présents dans l'ensemble de la biosphère. En effet, ils sont présents partout, mais en quantité plus importante dans les excréments, le sol et les eaux d'égout. Ils ont été découverts en 1912, par Félix d'Hérelle, scientifique franco-canadien, et en 1915 par un chercheur britannique, Frederick W. Twort.
Le support génomique des bactériophages peut être un ADN ou un ARN.
Caractéristiques
Constitution
Comme les virus qui infectent les eucaryotes, les phages sont constitués d'une enveloppe protéique externe (appelée capside) protégeant le matériel génétique (ADN ou ARN). Pour plus de 95 % des phages connus, ce matériel est une molécule d'ADN double-brin d'une taille de 5 à 650 kpb et leur taille varie de 24 à 200 nm.
L’organisme responsable de la nomenclature et de la taxonomie des virus s’appelle l’International Commitee on Taxonomy of Viruses (ICTV). On dénombre 21 morphologies différentes chez les virus bactériens actuellement reconnus par l'ICTV. En 2000, plus de 5000 bactériophages différents avaient été observés et décrits. Plus de 95 % d'entre eux possédaient une queue impliquée dans l'entrée de l'ADN du phage dans la cellule bactérienne.
Dans les années 1940, les travaux effectués sur les bactériophages ont permis de découvrir que les acides nucléiques étaient les principaux constituants du matériel génétique. C'est avec cette découverte que prit naissance le vaste domaine de la biologie moléculaire.
Reproduction
Les phages infectent seulement une seule bactérie spécifique. Certains phages sont virulents, c'est-à-dire qu'aussitôt qu'ils infectent une cellule, elle se met immédiatement à se reproduire et, dans un court laps de temps, le phage fait exploser la cellule ce qui dégage de nombreux autres phages.
Le fameux microbiologiste Mark Müller a dit un jour : " Les bactéries ne meurent pas, elles explosent en multiples phages. " Certains bactériophages (appelés moyen phages) peuvent entrer dans un état assez inoffensif en entrant leur matériel génétique dans l'ADN de l'hôte (la bactérie) comme un rétrovirus ou comme des plasmides. Ces phages endogènes, référés comme prophages, sont copiés à chaque division cellulaire avec l'ensemble avec l'ADN de la bactérie. L'ADN de celle-ci n'est pas détruit, au contraire ! Ses gènes peuvent être transférés par l'intermédiaire du prophage. Quand la cellule montre quelques signes de stress (cela peut vouloir dire qu'elle va bientôt mourir) le phage endogène commence encore à être actif et commence son cycle reproductif. Ce qui en résulte, c'est la multiplication du phage à l'intérieur de la cellule. Un exemple est la lambda phage de Escherichia coli. Parfois, les prophages apportent quelque chose à la relation bactérie-phage quand la cellule est en dormance, en ajoutant de nouvelles fonctions au génome de la bactérie, un phénomène appelé conversion lysogène. Un exemple connu est l'inoffensive bactérie Vibrio qui, quand elle est transformée par un phage, cause le choléra !
Cycles lytique et lysogénique
Les bactériophages, ubiquitaires de nature, persistent dans le monde bactérien sous deux états distincts : en tant que phage virulent (qui se réplique dans une cellule bactérienne réceptive) ou sous forme lysogène (inséré dans le génome sous la forme d’un prophage, il devient partie intégrante du génome de l’hôte). Tous les virus bactériophages ont un cycle lytique (infectieux) pendant lequel le virus, incapable de se reproduire par ses propres moyens, injecte son matériel génétique dans la bactérie. Grâce aux enzymes et aux ribosomes de l'hôte, le virus peut être répliqué à plus de cent exemplaires avant que l'hôte n'éclate. Mais parfois, certains bactériophages se comportent autrement. Leur matériel génétique s'intègre au chromosome de la bactérie qui le transmet à ses descendants (lysogénie). Dans un cas pour cent mille, l'ADN viral est activé et entame un cycle lytique.
Les bactériophages participent à l'évolution des bactéries
Comme les phages peuvent porter dans leur génome des gènes accessoires à leur cycle de vie, ils participent aux transferts horizontaux de gènes entre populations bactériennes. C'est la transduction. Lorsque ces gènes accessoires codent des facteurs de virulence, la bactérie infectée voit son pouvoir pathogène augmenté – c’est le phénomène de " conversion lysogénique ".
Un exemple bien connu est celui des gènes des toxines Stx des Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC). Ces gènes stx sont localisées dans des séquences de bactériophages lambdoïdes intégrés dans le chromosome. Les EHEC auraient donc émergé par conversion lysogénique. On connaît de nombreux autres exemples de ce type, comme la toxine cholérique de Vibrio cholerae qui est portée par le phage CTX.
Les bactériophages lysogènes sont souvent intégrés dans le chromosome au niveau de loci codant des ARN de transfert (ARNt). Par exemple, le phage ¨PhiR73 de Escherichia coli est inséré au niveau du locus selC. L'acquisition de gènes étrangers par transfert horizontal, grâce à des bactériophages s’intégrant au niveau de tels " points chauds " est plausible, puisque les séquences codant les ARNt sont hautement conservées entre les différentes espèces bactériennes. Enfin, la persistance des gènes de virulence dans les génomes phagiques suggère qu’ils confèrent un avantage sélectif, peut-être dû à la plus grande multiplication et diffusion de la bactérie hôte.
Les bactériophages comme outil fondamental de recherche
Les phages ont permis l'essor de la biologie moléculaire
Dans les années 1960, des recherches de pointe menées sur les mécanismes hôte/phage par des physiologistes américains, Max Delbrück, Alfred Hershey et Salvador Luria, valurent à ces chercheurs le prix Nobel de médecine-physiologie en 1969.
Les phages ont permis différentes découvertes:
- L'expérience de Harshey et Chase qui a permis de confirmer la fonction de l'ADN en tant que support de l'information génétique.
- En 1980, le biochimiste britannique Frederick Sanger reçut le prix Nobel pour avoir réussi à séquencer l'ADN en utilisant un phage.
L'étude des phages a des implications importantes en médecine et en génétique, en particulier pour la compréhension des infections virales, des anomalies génétiques, de l'embryologie humaine, des causes du cancer et de la résistance des bactéries aux antibiotiques.
Utilisation en génie génétique
Les phages sont utilisés de multiples manières dans la biologie moléculaire. Ils sont utilisés comme vecteurs de clonage pour insérer de l'ADN dans les bactéries. La méthode du phage display est une méthode qui permet la sélection d'un peptide grâce à sa présentation sur la surface de phages.
Utilisation dans le séquençage de génomes entiers
Le séquençage d'un génome ne se fait pas d'un seul coup, mais petit à petit sur des fragments de génomes. Pour cela ces fragments d'ADN doivent être stockés et multipliés dans des organismes servant de banque d'ADN. Les phages en tant que vecteurs de clonage le permettent.
Utilisation des phages en tant qu'agent anti-microbien
Les phages ont comme particularités intéressantes, à la fois de détruire les bactéries, et d'être inoffensifs pour les cellules humaines. Certains scientifques cherchent à développer une lutte contre les infections avec des phages.
Une thérapie est possible grâce aux phages depuis les années 1940. C'est une bonne alternative aux antibiotiques pour traiter les infections bactériennes et tuer les bactéries. Il y a une bibliothèque pour la recherche dans une catégorie spécifique de phage et les traitements possibles à l' Eliava Institute de Tbilissi en Géorgie.
En 2006, aux États-Unis, une préparation à base de six virus bactériophages a été autorisée comme conservateur alimentaire, notamment, pour lutter contre la listériose. (lien)
Liste des principaux bactériophages
- phage λ - lysogène
- phage T4 (169 à 170 paires de bases, 200 nm de long)
- phage T7
- phage R17
- phage M13 - Phagemid