Fiche de révision : Microbiologie générale

📋 Plan du Cours

1. Microbes et histoire de la microbiologie
2. Classification du monde microbien
3. Protozoaires, champignons et algues
4. Nutrition et besoins microbiens
5. Types trophiques et facteurs physiques
6. Milieux et culture microbienne
7. Morphologie et paroi bactériennes
8. Mesure de la croissance bactérienne
9. Paramètres et phases de croissance
10. Phases de croissance bactérienne
11. Facteurs de croissance bactérienne
12. Agents antimicrobiens et antibiotiques
13. Caractères et structure des virus
14. Classification et taxonomie virales
15. Multiplication virale en cellule
16. Cycles des bactériophages
17. Matériel génétique bactérien
18. Transfert génétique bactérien

📖 1. Microbes et histoire de la microbiologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Microbe : Organisme vivant invisible à l’œil nu, observable seulement au microscope, et capable de se nourrir, respirer et se reproduire de façon autonome.

★ À maîtriser

• En 1676 et 1697, Antony Van Leeuwenhoek décrit divers micro-organismes observés au microscope.

• 🔄 L’expérience de Pasteur met en évidence le rôle des poussières :

  1. Le chauffage stérilise l’infusion de foin.
  2. Le col courbé retient les poussières et le liquide reste stérile.
  3. Le contact des poussières avec le liquide entraîne le développement de micro-organismes.

• Entre 1857 et 1877, Pasteur étudie les fermentations lactique, alcoolique et butyrique, ainsi que les maladies du vin et de la bière, auxquelles il associe la pasteurisation.

Compléments

• Les micro-organismes sont ubiquistes et se trouvent notamment dans l’eau, le sol, l’air et les aliments.

• L’importance des micro-organismes n’est comprise qu’au XIXe siècle, malgré des soupçons sur leur existence depuis longtemps.

📖 2. Classification du monde microbien

🔑 Notions clés & Définitions

• Acaryotes : Organismes acellulaires, non autonomes et sans noyau, classés à part des domaines Bacteria, Archaea et Eucarya sous le nom d’acaryotes.

★ À maîtriser

• La classification phylogénétique distingue trois domaines découverts à partir des modèles établis après la découverte d’un troisième domaine en 1977 : Bacteria, Archaea et Eucarya.

📌 Les procaryotes, qui regroupent les bactéries et les archées, sont unicellulaires et dépourvus de noyau individualisé, tandis que les eucaryotes possèdent un noyau bien individualisé et peuvent être unicellulaires ou multicellulaires.

Compléments

• Les archées comprennent notamment des organismes vivant dans des milieux hostiles.

• Une cellule vivante comprend une membrane, un cytoplasme riche en protéines et du matériel génétique constitué d’ADN.

💡 Astuce mémo

Procaryotes sans noyau individualisé, eucaryotes avec vrai noyau ; les virus restent à part.

📖 3. Protozoaires, champignons et algues

🔑 Notions clés & Définitions

• Protozoaires : Micro-organismes eucaryotes unicellulaires, non phototrophes et dépourvus de paroi cellulaire, généralement mobiles et souvent parasites.

★ À maîtriser

• Les principaux groupes de protozoaires sont :

  • les flagellés
  • les amibes
  • les ciliés
  • les sporozoaires

• Les moisissures sont des champignons microscopiques filamenteux, tandis que les levures sont unicellulaires.

• Les algues peuvent être unicellulaires, coloniales ou filamenteuses et contiennent de la chlorophylle ainsi que, selon les espèces, des xanthophylles et des caroténoïdes.

Compléments

• Les protozoaires se déplacent selon leur groupe grâce à un flagelle, à des pseudopodes ou à des cils, tandis que les sporozoaires sont dépourvus d’organe de déplacement.

• La plupart des champignons microscopiques sont terrestres, possèdent une paroi contenant de la chitine et sont chimio-organotrophes.

• Les algues réalisant une photosynthèse oxygénique utilisent l’eau comme donneur d’électrons et libèrent de l’oxygène.

📖 4. Nutrition et besoins microbiens

★ À maîtriser

📌 Les micro-organismes peuvent être en état de repos, avec peu d’échanges et sans multiplication, ou en état végétatif, avec des biosynthèses équilibrées permettant la croissance.

• L’eau sert de solvant et de réactif des réactions biochimiques, facilite le transport des nutriments et des déchets, maintient la pression osmotique et la structure cellulaire, et participe à la régulation métabolique.

• Le phosphore entre dans la composition des acides nucléiques, des phospholipides et de l’ATP, tandis que l’azote sert à synthétiser les acides aminés, les protéines et les acides nucléiques.

• Les ions minéraux importants et leurs rôles sont : le potassium, nécessaire à l’activité enzymatique, le magnésium, qui stabilise les ribosomes, les membranes cellulaires et les acides nucléiques, le calcium, qui participe à la stabilité thermique de l’enveloppe cellulaire, le fer, composant de nombreuses enzymes et protéines respiratoires

Compléments

• Les bactéries mésophiles ont besoin d’environ 80 à 90 % d’eau dans leur cytoplasme, tandis que les champignons tolèrent des niveaux d’eau plus bas.

• Les adaptations à la disponibilité en eau comprennent :

  • la synthèse d’osmolytes
  • la formation de spores
  • des modifications membranaires

• Les macronutriments comprennent les éléments majeurs et les ions minéraux requis à concentration élevée, de l’ordre du mg au g.

📖 5. Types trophiques et facteurs physiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Facteurs de croissance : Composés organiques que certains micro-organismes ne peuvent pas synthétiser et doivent obtenir de leur environnement, notamment des vitamines, des acides aminés et des bases azotées.

★ À maîtriser

📌 Les autotrophes utilisent le CO₂ comme source principale de carbone, tandis que les hétérotrophes utilisent des composés organiques.

📌 Les phototrophes tirent leur énergie de la lumière, tandis que les chimiotrophes l’obtiennent de l’oxydation de composés chimiques.

• Les micronutriments ou oligoéléments, notamment Mn, Cu, Mo et Co, sont requis à faibles concentrations, de l’ordre du μg, et agissent souvent comme cofacteurs ou activateurs enzymatiques.

• Selon la température optimale de croissance, les micro-organismes sont psychrophiles à 10-15 °C, mésophiles à 25-37 °C, thermophiles à 50-70 °C et hyperthermophiles à partir de 80 °C.

Compléments

• Le milieu isotonique est associé à une salinité de 9 g/l de NaCl ; au-delà de 9 g/l, le milieu est hypertonique.

💡 Astuce mémo

Carbone et énergie sont deux critères distincts : autotrophe ou hétérotrophe, phototrophe ou chimiotrophe.

📖 6. Milieux et culture microbienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Milieu sélectif : Milieu qui favorise la croissance du micro-organisme recherché en inhibant les autres germes, notamment grâce à des inhibiteurs.
• Milieu d’enrichissement : Milieu sélectif contenant des substances enrichissantes, utilisé notamment pour des micro-organismes exigeants ou auxotrophes.

★ À maîtriser

📌 Un milieu naturel ou complet a une composition complète mais mal définie, un milieu synthétique a une composition précise, et un milieu semi-synthétique associe un milieu synthétique à un composé complexe.

Compléments

• Le milieu CHAPMAN est un milieu sélectif contenant notamment du NaCl à 75 g/l et utilisé pour les staphylocoques.

• Le milieu de Müller-Kauffmann est un milieu d’enrichissement sélectif utilisé pour les salmonelles.

• Un milieu d’identification met en évidence une ou plusieurs propriétés physiologiques d’un germe.

📖 7. Morphologie et paroi bactériennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Peptidoglycane : Polymère bactérien réticulé constitué de chaînes alternées de N-acétylglucosamine et d’acide N-acétylmuramique reliées par des chaînes peptidiques.

★ À maîtriser

• Les bactéries mesurent selon les espèces de 0,5 à 100 μm et présentent trois formes dominantes : les coques, les bâtonnets et les formes spiralées.

📌 Les bactéries Gram positives ont une paroi épaisse de 15 à 80 nm, principalement constituée de peptidoglycane et contenant des acides teichoïques, tandis que les Gram négatives ont une paroi de 6 à 15 nm, une fine couche de peptidoglycane et une membrane externe contenant notamment des LPS et des porines.

Compléments

• Les groupements de coques comprennent :

  • les diplocoques
  • les streptocoques en chaînettes
  • les staphylocoques en grappes
  • les tétrades
  • les sarcines

• Le peptidoglycane comporte des liaisons β(1,4) entre le N-acétylmuramique et la N-acétylglucosamine, ainsi que des pontages entre la D-alanine et la L-lysine ou le DAP d’un tétrapeptide voisin.

• Les acides teichoïques sont propres aux bactéries Gram positives, se trouvent à l’extérieur de la paroi et peuvent jouer un rôle antigénique.

💡 Astuce mémo

Gram positif : paroi épaisse ; Gram négatif : paroi fine et membrane externe.

📖 8. Mesure de la croissance bactérienne

★ À maîtriser

📌 La numération en chambre de comptage mesure les cellules totales sans distinguer les cellules vivantes des cellules mortes, tandis que le dénombrement sur milieu solide mesure les cellules viables cultivables.

• 🔄 Le dénombrement viable sur gélose se déroule ainsi :
  1. Réaliser des dilutions successives de la suspension.
  2. Ensemencer les échantillons dilués sur des boîtes de Pétri.
  3. Incuber les boîtes.
  4. Compter les colonies dans la plage de 30 à 300.

📐 Formule - La loi de Beer-Lambert relie la densité optique à la concentration bactérienne selon $DO = \log\frac{I_0}{I} = \varepsilon l C = K C$.

Compléments

• Le poids sec des cellules est mesuré après récolte par centrifugation, lavage et séchage, mais cette méthode est longue et peu sensible.

• La mesure spectrophotométrique des suspensions bactériennes utilise une longueur d’onde comprise entre 600 et 620 nm, et la densité optique est proportionnelle à la concentration bactérienne.

💡 Astuce mémo

Le comptage total inclut les mortes ; la culture sur gélose dénombre les cellules viables.

📖 9. Paramètres et phases de croissance

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de génération : Temps nécessaire au doublement d’une population bactérienne, soit le temps séparant deux divisions successives.
• Taux de croissance : Nombre de divisions bactériennes par unité de temps et vérifie $\\mu = \\frac{n}{t} = \\frac{1}{G}$.

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour une population qui double à chaque division, le nombre de bactéries après n divisions est $N = 2^n N_0$ et, avec $n = \mu t$, il s’écrit $N = 2^{\mu t}N_0$.

• La croissance bactérienne passe par les phases de latence, d’accélération, exponentielle, de ralentissement, stationnaire et de déclin.

• Pendant la phase exponentielle, les bactéries se multiplient sans entrave, μ est positif, maximal et constant, et la courbe est une droite en coordonnées semi-logarithmiques.

• Pendant la phase stationnaire, le nombre de cellules viables reste constant et μ = 0, notamment en raison de l’épuisement du milieu, de l’accumulation de métabolites toxiques ou de conditions physico-chimiques défavorables.

Compléments

• Dans des conditions contrôlées, Escherichia coli se divise environ toutes les 20 minutes, tandis que Mycobacterium tuberculosis se divise environ toutes les 15 heures.

• Pendant la phase de latence, le nombre de bactéries reste constant et μ = 0 ; cette phase correspond à l’adaptation au milieu et peut être courte ou prolongée.

• Pendant la phase de déclin, les bactéries ne se divisent plus, beaucoup meurent et lysent, et μ est négatif.

💡 Astuce mémo

Latence, accélération, exponentielle, ralentissement, stationnaire, déclin.

📖 10. Phases de croissance bactérienne

★ À maîtriser

• La phase de latence correspond à une période sans croissance où N₀ reste constant et où μ = 0.

• La phase exponentielle est la phase physiologique de multiplication sans entrave, où la représentation semi-logarithmique du nombre bactérien est une droite et où μ est positif, maximal et constant.

• Pendant la phase stationnaire, le nombre de cellules viables reste constant, notamment par équilibre entre les cellules qui naissent et celles qui meurent.

• La phase de déclin, ou phase de mortalité, se caractérise par l’arrêt des divisions, la mort et la lyse de nombreuses bactéries, avec μ < 0.

Compléments

• Lors d’une croissance diauxique sur glucose et lactose, E. coli consomme le glucose puis adapte son métabolisme à l’utilisation du lactose en synthétisant les enzymes nécessaires.

💡 Astuce mémo

Latence, accélération, exponentielle, ralentissement, stationnaire, déclin : la croissance finit par basculer vers la mortalité.

📖 11. Facteurs de croissance bactérienne

★ À maîtriser

• Le taux de croissance augmente avec la concentration de glucose jusqu’à une concentration optimale, tandis qu’un substrat trop concentré peut devenir bactériostatique, voire bactéricide.

• Les températures optimales indiquées sont de +10 °C pour les psychrophiles, de 30 à 37 °C pour les mésophiles et de 42 à 55 °C pour les thermophiles.

• Une osmolarité extérieure élevée provoque un efflux d’eau, la déshydratation et la plasmolyse cellulaires, puis inhibe le métabolisme et la croissance bactérienne.

Compléments

• Chez Bacillus subtilis, le taux de croissance indiqué est de 0,3 division/h sur milieu synthétique et de 3 divisions/h sur bouillon nutritif complet.

📐 Formule - Le rendement cellulaire est calculé par $R = \frac{X-X_0}{C}\times 100$, où X₀ est le poids sec bactérien initial, X le poids sec en phase stationnaire et C la quantité de substrat consommé.

• Thiobacillus thiooxydans est acidophile avec un pH optimal proche de 2, Vibrio cholerae est basophile avec un pH optimal de 9, et les bactéries proliférant près de la neutralité sont neutrophiles.

💡 Astuce mémo

Une osmolarité externe élevée → efflux d’eau → plasmolyse et blocage de la croissance.

📖 12. Agents antimicrobiens et antibiotiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Agent antimicrobien : Un agent antimicrobien, au sens strict, est produit par un microorganisme et tue ou inhibe d’autres microorganismes.

★ À maîtriser

📌 Un agent bactériostatique inhibe la croissance bactérienne, tandis qu’un agent bactéricide tue les bactéries.

• La pénicilline perturbe la synthèse de la paroi en empêchant l’incorporation du dipeptide D-alanine dans les chaînons peptidiques des glycanes, ce qui conduit à l’éclatement cellulaire.

Compléments

• Au sens large, les agents chimiothérapeutiques sont des molécules de faible poids moléculaire d’origine naturelle, synthétique ou hémi-synthétique, dont la toxicité est sélective.

• La polymyxine altère la membrane cytoplasmique en y formant des pores qui perturbent les échanges membranaires et exerce un effet bactéricide.

• L’érythromycine se fixe sur la sous-unité 50 S du ribosome et inhibe la synthèse protéique, tandis que la streptomycine se fixe sur la sous-unité 30 S, provoque des erreurs de lecture et la synthèse de protéines létales.

💡 Astuce mémo

Bactériostatique : croissance inhibée ; bactéricide : bactéries tuées.

📖 13. Caractères et structure des virus

🔑 Notions clés & Définitions

• Virus : André LWOFF, 1953 - Un virus est une entité acellulaire qui se reproduit par réplication de son matériel génétique, ne contient qu’un seul type d’acide nucléique et se multiplie uniquement dans une cellule vivante permissive en utilisant son système de biosynthèse.

★ À maîtriser

• Une particule virale comporte obligatoirement un génome et une capside, et certains virus possèdent en plus une enveloppe, ou péplos.

• Les virus peuvent posséder quatre types d’acide nucléique :

  • ADN double brin
  • ADN simple brin
  • ARN simple brin
  • ARN double brin

• La capside est formée de protomères assemblés en capsomères et protège le génome viral ; chez les virus nus, elle porte les déterminants qui se lient aux récepteurs cellulaires.

📌 Les virus enveloppés sont fragiles, sensibles aux solvants organiques et généralement transmis par contact direct rapproché, tandis que les virus nus résistent aux solvants lipidiques et persistent dans l’environnement et le tube digestif.

Compléments

• Un petit virus comme le poliovirus mesure environ 20 nm, tandis que le virus de la vaccine atteint environ 400 nm de long et 200 nm de large.

💡 Astuce mémo

Virus nu : résistant dans l’environnement ; virus enveloppé : fragile.

📖 14. Classification et taxonomie virales

★ À maîtriser

• Les critères de classification des virus sont :
  • la nature de l’acide nucléique
  • l’organisation de l’acide nucléique
  • la présence ou l’absence d’enveloppe
  • la symétrie de la capside
  • la taille du virus

Compléments

• Dans la taxonomie ICTV, les suffixes sont -viridae pour la famille, -virinae pour la sous-famille, -virus pour le genre et -virales pour l’ordre.

• Dans l’exemple de classification ICTV donné, le virus de la varicelle et du zona appartient à la famille Herpesviridae, à la sous-famille Alphaherpesvirinae et au genre Varicellovirus.

• La classification présentée selon Lwoff, Horne et Tournier date de 1975. - Lwoff Horne et Tournier

📖 15. Multiplication virale en cellule

★ À maîtriser

• Une cellule qui permet la multiplication d’un virus est dite permissive, et l’absence de récepteur spécifique empêche l’adsorption du virus et donc son infectivité.

• La multiplication virale comprend des étapes précoces d’attachement, de pénétration et de décapsidation, des étapes intermédiaires d’expression des gènes et de réplication, puis des étapes tardives d’assemblage et de maturation des virions.

• Les protéines virales précoces sont principalement régulatrices et enzymatiques non structurales, tandis que les protéines tardives sont majoritairement structurales et entrent notamment dans la composition de la capside.

📌 Les virus nus sont assemblés par auto-assemblage puis souvent libérés par lyse cellulaire, tandis que les virus enveloppés sont libérés par bourgeonnement et ne provoquent pas nécessairement la mort de la cellule productrice.

Compléments

• Lors de l’attachement du VIH aux lymphocytes LT4, la protéine virale gp120 reconnaît la protéine CD4 du lymphocyte.

💡 Astuce mémo

Attachement → pénétration → décapsidation → expression-réplication → assemblage et sortie.

📖 16. Cycles des bactériophages

★ À maîtriser

📌 Le cycle lytique des bactériophages conduit à la production de nouveaux virions puis à la lyse de la bactérie, tandis que le cycle lysogénique maintient l’ADN phagique intégré au chromosome bactérien sous forme de prophage.

Compléments

• Le cycle lytique du phage T4 produit environ une centaine de virions en approximativement 45 minutes avant l’éclatement de la cellule bactérienne.

• Le cycle lytique comprend la fixation du phage, l’injection de son acide nucléique, la prise en charge du métabolisme cellulaire et la réplication du génome, la synthèse et l’assemblage des capsides, la maturation des virions puis leur libération.

• Des conditions stressantes, notamment les radiations UV ou un stress thermique de 45 °C, peuvent conduire un phage tempéré à rompre la lysogénie et à induire le cycle lytique.

💡 Astuce mémo

Lytique : la bactérie éclate ; lysogénique : le prophage est intégré et répliqué avec elle.

📖 17. Matériel génétique bactérien

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasmides : Les plasmides sont des éléments génétiques extrachromosomiques capables d’autoréplication, généralement plus petits que le chromosome bactérien, dont le nombre peut varier de 1 à 100 par cellule.

★ À maîtriser

• Le chromosome bactérien est un filament unique, continu et circulaire d’ADN double brin, organisé en boucles resserrées dans le nucléoïde et comprenant environ 5 × 10⁶ paires de bases.

• L’information portée par l’ADN est transcrite en ARN messager puis traduite en séquences polypeptidiques formant les protéines et les enzymes.

Compléments

• La fréquence de mutation spontanée indiquée est de 10⁻⁸ à 10⁻⁹, contre 10⁻⁴ à 10⁻⁵ pour la mutagenèse artificielle.

• Les plasmides peuvent contribuer à :

  • la production de substances à rôle pathogène
  • la production de bactériocines
  • la résistance aux antibiotiques
  • la résistance aux métaux lourds
  • la dégradation de composés aromatiques
  • le transfert de matériel génétique

💡 Astuce mémo

Chromosome : information génétique principale ; plasmide : élément extrachromosomique autoréplicatif.

📖 18. Transfert génétique bactérien

★ À maîtriser

• Les échanges d’ADN bactériens se font par :

  • transformation par récupération d’ADN libre
  • conjugaison par contact entre bactéries
  • transduction par l’intermédiaire d’un virus

• La conjugaison dépend du facteur F, un plasmide qui permet notamment la formation des pili et le transfert d’ADN ; les bactéries F⁺ sont donatrices et les bactéries F⁻ sont réceptrices.

• La transformation bactérienne a été mise en évidence chez Streptococcus pneumoniae par Griffith en 1928, puis Avery et ses collaborateurs ont montré en 1944 que l’ADN est le principe transformant. - Grifith

📌 La transduction généralisée peut transférer n’importe quelle région chromosomique, tandis que la transduction spécialisée ne concerne qu’une région déterminée ou un petit nombre de gènes.

Compléments

• Quand le facteur F s’intègre au chromosome bactérien, il forme un épisome et la bactérie est dite Hfr, ou à haute fréquence de recombinaison.

• La transformation correspond à l’entrée dans une bactérie réceptrice d’ADN bicaténaire libre en solution, qui peut s’intégrer au chromosome ; l’expérience de Griffith a montré que des cellules R non virulentes pouvaient devenir de type S après exposition à des cellules S tuées par la chaleur.

💡 Astuce mémo

CTT : conjugaison par contact, transformation par ADN libre, transduction par phage.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des cycles phagiques

Modalités de transfert génétique