BACTÉRIES

Structure anatomique des bactéries

En microscopie optique, les bactéries apparaissent comme des corpuscules sphériques (coques ou cocci) ou cylindriques à pôles hémisphériques, à axe droit ( bacilles), ou incurvé (vibrions), ou hélicoïdal (spirochètes et tréponèmes), dont la plus grande dimension n'excède généralement pas deux micromètres en moyenne (fig. 1). Leur forme est stabilisée par une couche rigide (paroi) entourant le corps bactérien, sauf chez les Mycoplasmes et les formes L. La forme des bactéries étant génétiquement définie, elle est spécifique de chaque genre bactérien. C'est pourquoi ces critères de taille et de forme ont permis, dès les premiers examens au microscope, depuis les premières observations d'Anthony Van Leeuwenhoek en 1675, d'identifier puis de classer les bactéries ; il reste toutefois que certaines bactéries sont pléomorphiques, autrement dit qu'elles ont des formes différentes selon les conditions de leur croissance.

La cellule bactérienne comporte, comme toute cellule vivante, un génome, un cytoplasme et des enveloppes. Ces différentes structures, dont l'existence était suspectée à l'examen en microscopie optique, n'ont pu être identifiées que depuis le développement des méthodes de cytologie en microscopie électronique (colorations positives ou en contraste négatif et techniques d'ombrage, permettant de mettre en évidence la forme et la structure externe de la cellule ; coupes cytologiques et procédés de cryodécapage, permettant d'analyser les différentes structures superficielles ainsi que les éléments intracellulaires ; techniques de microscopie à balayage permettant une visualisation tridimensionnelle de la cellule bactérienne et des structures annexées). La paroi, qui enveloppe la cellule bactérienne, lui donne sa forme caractéristique et sa rigidité en la protégeant contre les variations de pression osmotique. On la distingue facilement (exception faite des mycoplasmes et des formes L des bactéries) en microscopie électronique, sur coupe ou par cryodécapage qui permet littéralement de peler la bactérie par endroits. Sauf chez les bactéries halophiles, méthanogènes ou thermoacidophiles (que l'on tend actuellement à classer séparément des bactéries vraies, sous le terme d'archaebactéries), le composant principal de la paroi bactérienne est le peptidoglycane, ou muréine. Le peptidoglycane forme un réseau de macromolécules englobant le cytoplasme de la bactérie. Il est composé de N-acétylglucosamine et d'acide N-acétylmuramique associés à des acides aminés en quantité variable (de quatre à huit), mais dont trois sont constants : la L-alanine, la D-alanine et l'acide D-glutamique. Cette structure de base de la paroi des bactéries est plus ou moins importante et est complétée par des constituants variables pour chaque espèce bactérienne. C'est pourquoi la distinction que permet la coloration de Gram, fixation du violet de gentiane ou du violet cristal résistant à la décoloration par l'éthanol-acétone, pour les bactéries Gram positives, ou, au contraire, la décoloration possible par l'éthanol-acétone, pour les bactéries Gram négatives, correspond en fait à des différences de structure de la paroi de ces bactéries.

La paroi des bactéries Gram positives est relativement épaisse et dense, pouvant atteindre cent nanomètres et pouvant représenter jusqu'à 30 p. 100 du poids sec de la cellule. Elle est composée, outre le peptidoglycane, d'acide téichoïque, les deux constituants étant intimement liés. L'action du lysozyme, substance communément présente dans les liquides biologiques tels que les sécrétions (larmes, salives, etc.) ou dans le cytoplasme des cellules phagocytaires, qui hydrolyse le peptidoglycane, transforme les bactéries Gram positives en protoplastes (fig. 2). Les protoplastes sont des bactéries seulement enveloppées de la membrane cytoplasmique, donc à morphologie globuleuse mais instable, devenues extrêmement sensibles aux variations de pression osmotique du fait de l'absence de contention par la paroi. La paroi des bactéries Gram négatives est plus mince et moins dense que celle des bactéries Gram positives ; la couche de peptidoglycane n'excède pas vingt nanomètres et la paroi ne représente guère plus de 10 à 15 p. 100 du poids sec de la cellule bactérienne. La distinction de structure de la paroi entre bactéries Gram positives et bactéries Gram négatives vient surtout du fait de l'existence chez ces dernières, autour de la couche de peptidoglycane, d'une membrane externe dont la structure est analogue à celle de la membrane cytoplasmique. Cette membrane externe lipopolysaccharidique et lipoprotéique porte les déterminants antigéniques spécifiques des bactéries Gram négatives (antigène somatique O) qui constitue également la substance appelée endotoxine (à cause des lésions spécifiques qu'elle peut produire chez l'hôte infecté au moment de la lyse des bactéries). Les relations anatomiques entre membrane externe, couche de peptidoglycane, et membrane cytoplasmique sous-jacente sont variables selon les espèces de bactéries Gram négatives, ces feuillets étant plus ou moins intimement accolés les uns aux autres ou délimitant des espaces plus ou moins importants. L'action lytique du lysozyme ou l'inhibition de synthèse du peptidoglycane par la pénicilline aboutit, chez les bactéries Gram négatives, à la formation de sphéroplastes, équivalents des protoplastes des bactéries Gram positives. Eux aussi dépourvus de paroi, les sphéroplastes, contrairement aux protoplastes, conservent une forme sphérique grâce à la persistance de la membrane externe, seule la couche de peptidoglycane sous-jacente à cette membrane étant absente. Les formes de bactéries spontanément déficientes en paroi sont appelées formes L ; les mycoplasmes sont d'authentiques bactéries, cultivables en formant des colonies dites en « œuf au plat », car elles poussent dans la gélose davantage qu'en surface du milieu de culture.

Outre son rôle de squelette de la cellule bactérienne, empêchant sa déformation lors des variations importantes de pression osmotique, la paroi est un organe essentiel à travers lequel pénètrent les substrats contenus dans le milieu dans lequel se développe la bactérie et à travers lequel sont excrétés les différents produits élaborés par la bactérie. La paroi porte, en outre, les sites récepteurs pour certains bactériophages. À l'extérieur de la paroi des bactéries se trouve parfois une enveloppe superficielle de nature protéique et de structure cristalline dont la présence et l'importance sont variables en fonction de la nature du milieu de croissance. Plus généralement et parfois spécifiquement, certaines espèces bactériennes élaborent une volumineuse capsule de nature polysaccharidique. Les exemples les plus spectaculaires sont le pneumocoque (Streptococcus pneumoniae), les Klebsiella, le bacille du charbon (Bacillus anthracis), chez qui cette capsule est directement visible en microscopie photonique, en contraste de phase, ou par simple adjonction de carbone colloïdal à la préparation microscopique non fixée. Cette capsule et l'éventuelle structure d'enveloppe protéique de certaines espèces bactériennes jouent un rôle majeur dans la capacité qu'ont ces bactéries de résister à l'ingestion et à la digestion par les cellules phagocytaires, dans les processus infectieux. Le bacille de Koch est doté lui aussi de constituants pariétaux protecteurs (cf. mycobactéries, tuberculose)

Sur la paroi bactérienne existent parfois, en fonction de l'espèce et des conditions de culture, des pili ou fimbriae (fig. 3). Ce sont des fibres rigides, plus ou moins abondantes, réparties au pourtour de la cellule, facilement détachées par agitation, d'un diamètre d'environ cinq nanomètres. Elles sont responsables des propriétés d'adhérence des bactéries aux surfaces des tissus épithéliaux et à la membrane des cellules phagocytaires, jouant ainsi, comme les capsules et les enveloppes externes des bactéries, un rôle important dans les étapes précoces du processus d'infection des organismes supérieurs. Parmi les pili, on peut distinguer les pili sexuels, au nombre de un ou deux par cellule de bactérie mâle (les bactéries femelles en sont dépourvues). Ils servent au transfert de matériel génétique de bactérie mâle à bactérie femelle. L'infection des bactéries par certains bactériophages résulte de l'injection de l'acide nucléique du bactériophage à travers le canal central du pilus sexuel qui est alors le site récepteur spécifique pour ces bactériophages. Il faut distinguer des pili, ou fimbriae, les flagelles ou cils (fig. 4), organes locomoteurs des bactéries, insérés dans l'épaisseur même de la paroi. L'insertion des flagelles peut se faire sur les faces latérales de la cellule bactérienne (ciliature péritriche) ou à un pôle (ciliature polaire), ce qui détermine la cinétique des bactéries, observées au microscope, en milieu liquide : mouvements en pirouette pour les bactéries à ciliature péritriche, ou unidirectionnel pour les bactéries à ciliature polaire. Certaines bactéries, telles que Caulobacter, produisent une sorte de tige qui leur permet de se fixer à un support. Les flagelles sont composés de sous-unités protéiques, de poids moléculaire quarante mille, qui constituent la flagelline. La formation des flagelles se ferait par polymérisation de la flagelline. Le flagelle présente une ondulation sinusoïde, d'amplitude et de longueur d'onde régulières et fixes pour chaque type de bactérie mobile. La longueur des flagelles est variable, leur diamètre est d'environ vingt-cinq nanomètres. L'insertion des flagelles sur la paroi bactérienne se fait par l'intermédiaire d'un élément plus rigide et incurvé, le crochet, attaché à sa base à une pièce encerclée d'un ou deux disques. Chez les Spirochètes, c'est à l'intérieur d'une sorte de gaine, le « manteau périplasmique » dont le corps cellulaire est enveloppé, que se trouve le filament longitudinal torsadé permettant la torsion du corps cellulaire, d'où mouvement en vrille.

La membrane cytoplasmique est immédiatement adjacente à la couche de peptidoglycane dont elle se distingue, en microscopie électronique, par un espace clair périplasmique. La structure de cette membrane est semblable à celle des membranes cytoplasmiques des cellules eucaryotes : c'est une « unit-membrane » lipido-protéique. La membrane cytoplasmique est le site majeur d'activité métabolique de la cellule bactérienne. Elle assure la respiration des bactéries aérobies comme le font les mitochondries dans les cellules eucaryotes. Elle est le site d'activités enzymatiques (perméases) permettant le passage et l'absorption sélective des substrats nutritifs pour la bactérie, présents dans le milieu de croissance. À travers la membrane cytoplasmique, sont excrétées, en outre, les enzymes responsables de la synthèse des constituants de la paroi.

Le cytoplasme de la cellule bactérienne occupe tout l'espace intracellulaire et n'est pas séparé du chromosome bactérien, contrairement aux cellules eucaryotes dont le cytoplasme est séparé du noyau par une enveloppe nucléaire. Le cytoplasme des bactéries contient de nombreux ribosomes de type 7O S (semblables à ceux des mitochondries dans la cellule eucaryote), mais est dépourvu des organelles (appareil de Golgi, réticulum endoplasmique, mitochondries) et des vacuoles qui caractérisent le cytoplasme des cellules eucaryotes.

Le génome bactérien est généralement formé par un unique filament d'acide désoxyribonucléique circulaire (chromosome). Certaines bactéries ont toutefois un chromosome linéaire et quelques unes peuvent abriter plusieurs chromosomes circulaires. La taille des génomes bactériens varie de 160 000 paires de bases (160 kilobases) pour le plus connu, jusqu'à près de 10 millions de paires de bases (10 Megabases). Le premier génome entièrement séquencé, en 1995, a été celui de la bactérie Haemophilius influenzae. Depuis cette époque, le nombre de génomes séquencés a augmenté de façon exponentielle (plus de 400 dix ans plus tard).

L'ADN bactérien est directement au contact du cytoplasme, permettant ainsi un transfert extrêmement rapide d'information génétique aux ribosomes avec qui elle entre en contact direct. Il n'y a pas de mitose dans les bactéries, mais une réplication après clivage de la molécule d'ADN au moment de la division cellulaire. Le chromosome bactérien est la structure génétique qui code pour les caractères d'espèce, au même titre que le noyau des cellules eucaryotes. Dans certains cas, des éléments génétiques, d'origine extrachromosomique, intégrables ou non au chromosome, complètent le génome bactérien et peuvent coder pour des structures et des fonctions non codées par les gènes chromosomiques. Ces ADN extrachromosomiques sont transférables d'une bactérie à l'autre. Il s'agit des plasmides et épisomes. Les plasmides au sens strict sont des ADN extrachromosomiques se répliquant dans le cytoplasme bactérien, indépendamment de la réplication du chromosome. Les chromosomes bactériens renferment les traces de plasmides ou de virus intégrés, lesquels peuvent participer (Vibrio cholerae, Yersinia pestis) à la pathogénicité.