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5.1 : Comment les microbes se développent - Géosciences


compétences à développer

  • Définir le temps de génération pour la croissance basée sur la fission binaire
  • Identifier et décrire les activités des micro-organismes subissant des phases typiques de fission binaire (division cellulaire simple) dans une courbe de croissance
  • Expliquer plusieurs méthodes de laboratoire utilisées pour déterminer le nombre de cellules viables et totales dans les populations en croissance exponentielle
  • Décrire des exemples de division cellulaire n'impliquant pas de fission binaire, comme le bourgeonnement ou la fragmentation
  • Décrire la formation et les caractéristiques des biofilms
  • Identifier les risques pour la santé associés aux biofilms et comment ils sont traités
  • Décrire le quorum sensing et son rôle dans la communication de cellule à cellule et la coordination des activités cellulaires

Clinique Zone de mise au point : PARTIE 1

Jeni, une femme enceinte de 24 ans dans son deuxième trimestre, se rend dans une clinique avec des plaintes de fièvre élevée, 38,9 °C (102 °F), de fatigue et de douleurs musculaires, signes et symptômes typiques de la grippe. Jeni fait de l'exercice régulièrement et suit un régime nutritif en mettant l'accent sur les aliments biologiques, y compris le lait cru qu'elle achète sur un marché fermier local. Tous ses vaccins sont à jour. Cependant, le fournisseur de soins de santé qui voit Jeni est inquiet et ordonne qu'un échantillon de sang soit envoyé pour analyse par le laboratoire de microbiologie.

Exercice (PageIndex{1})

Pourquoi le fournisseur de soins de santé s'inquiète-t-il des signes et symptômes de Jeni ?

Le cycle cellulaire bactérien implique la formation de nouvelles cellules par la réplication de l'ADN et la partition des composants cellulaires en deux cellules filles. Chez les procaryotes, la reproduction est toujours asexuée, bien qu'une recombinaison génétique étendue sous forme de transfert horizontal de gènes ait lieu, comme cela sera exploré dans un chapitre différent. La plupart des bactéries ont un seul chromosome circulaire; cependant, certaines exceptions existent. Par exemple, Borrelia burgdorferi, l'agent causal de la maladie de Lyme, possède un chromosome linéaire.

Fission binaire

Le mécanisme de réplication cellulaire le plus courant chez les bactéries est un processus appelé fission binaire, qui est illustré à la figure (PageIndex{1}):. Avant de se diviser, la cellule se développe et augmente son nombre de composants cellulaires. Ensuite, la réplication de l'ADN commence à un endroit sur le chromosome circulaire appelé origine de réplication, où le chromosome est attaché à la membrane cellulaire interne. La réplication se poursuit dans des directions opposées le long du chromosome jusqu'à ce que le terminus soit atteint.

Le centre de la cellule agrandie se contracte jusqu'à ce que deux cellules filles soient formées, chaque progéniture recevant une copie complète du génome parental et une division du cytoplasme (cytokinèse). Ce processus de cytokinèse et de division cellulaire est dirigé par une protéine appelée FtsZ. FtsZ s'assemble en un anneau Z sur la membrane cytoplasmique (Figure (PageIndex{2})). L'anneau Z est ancré par les protéines de liaison FtsZ et définit le plan de division entre les deux cellules filles. Des protéines supplémentaires nécessaires à la division cellulaire sont ajoutées à l'anneau Z pour former une structure appelée divisome. Le divisome s'active pour produire une paroi cellulaire de peptidoglycane et construire un septum qui divise les deux cellules filles. Les cellules filles sont séparées par le septum de division, où toutes les couches externes des cellules (la paroi cellulaire et les membranes externes, le cas échéant) doivent être remodelées pour terminer la division. Par exemple, nous savons que des enzymes spécifiques rompent les liaisons entre les monomères dans les peptidoglycanes et permettent l'ajout de nouvelles sous-unités le long du septum de division.

Exercice (PageIndex{2})

Quel est le nom de la protéine qui s'assemble en un anneau Z pour initier la cytokinèse et la division cellulaire ?

Temps de génération

Chez les organismes eucaryotes, le temps de génération est le temps entre les mêmes points du cycle de vie dans deux générations successives. Par exemple, le temps de génération typique pour la population humaine est de 25 ans. Cette définition n'est pas pratique pour les bactéries, qui peuvent se reproduire rapidement ou rester dormantes pendant des milliers d'années. Chez les procaryotes (bactéries et archées), le temps de génération est également appelé temps de doublement et est défini comme le temps nécessaire à la population pour doubler au cours d'un cycle de fission binaire. Les temps de doublement bactérien varient énormément. Alors que Escherichia coli peuvent doubler en aussi peu que 20 minutes dans des conditions de croissance optimales en laboratoire, les bactéries de la même espèce peuvent avoir besoin de plusieurs jours pour doubler dans des environnements particulièrement difficiles. La plupart des agents pathogènes se développent rapidement, comme E. coli, mais il y a des exceptions. Par exemple, Mycobacterium tuberculosis, l'agent causal de la tuberculose, a un temps de génération compris entre 15 et 20 heures. D'autre part, M. leprae, qui cause la maladie de Hansen (lèpre), croît beaucoup plus lentement, avec un temps de doublement de 14 jours.

CALCUL DU NOMBRE DE CELLULES

Il est possible de prédire le nombre de cellules dans une population lorsqu'elles se divisent par fission binaire à un taux constant. À titre d'exemple, considérons ce qui se passe si une seule cellule se divise toutes les 30 minutes pendant 24 heures. Le diagramme de la figure (PageIndex{3}) montre l'augmentation du nombre de cellules pour les trois premières générations.

Le nombre de cellules augmente de façon exponentielle et peut être exprimé comme 2m, où m est le nombre de générations. Si les cellules se divisent toutes les 30 minutes, après 24 heures, 48 ​​divisions auraient eu lieu. Si on applique la formule 2m, où m est égal à 48, la seule cellule donnerait lieu à 248 ou 281 474 976 710 656 cellules à 48 générations (24 heures). Lorsqu'il s'agit de nombres aussi énormes, il est plus pratique d'utiliser la notation scientifique. Par conséquent, nous exprimons le nombre de cellules comme 2,8 × 1014 cellules.

Dans notre exemple, nous avons utilisé une cellule comme nombre initial de cellules. Pour un nombre quelconque de cellules de départ, la formule est adaptée comme suit :

[N_n = N_02^n]

Nm est le nombre de cellules à n'importe quelle génération m, N0 est le nombre initial de cellules, et m est le nombre de générations.

Exercice (PageIndex{3})

Avec un temps de doublement de 30 minutes et une taille de population de départ de 1 × 105 cellules, combien de cellules seront présentes après 2 heures, en supposant qu'il n'y ait pas de mort cellulaire ?

La courbe de croissance

Les micro-organismes cultivés en culture fermée (également connue sous le nom de culture discontinue), dans laquelle aucun élément nutritif n'est ajouté et la plupart des déchets ne sont pas éliminés, suivent un modèle de croissance reproductible appelé courbe de croissance. Un exemple de culture discontinue dans la nature est un étang dans lequel un petit nombre de cellules se développent dans un environnement fermé. La densité de culture est définie comme le nombre de cellules par unité de volume. Dans un environnement fermé, la densité de culture est également une mesure du nombre de cellules dans la population. Les infections du corps ne suivent pas toujours la courbe de croissance, mais des corrélations peuvent exister selon le site et le type d'infection. Lorsque le nombre de cellules vivantes est tracé en fonction du temps, des phases distinctes peuvent être observées dans la courbe (Figure (PageIndex{4})).

La phase de latence

Le début de la courbe de croissance représente un petit nombre de cellules, appelées inoculum, qui sont ajoutées à un milieu de culture frais, un bouillon nutritionnel qui favorise la croissance. La phase initiale de la courbe de croissance est appelée phase de latence, au cours de laquelle les cellules se préparent pour la prochaine phase de croissance. Le nombre de cellules ne change pas pendant la phase de latence ; cependant, les cellules grossissent et sont métaboliquement actives, synthétisant les protéines nécessaires à leur croissance dans le milieu. Si des cellules ont été endommagées ou choquées lors du transfert vers le nouveau milieu, la réparation a lieu pendant la phase de latence. La durée de la phase de latence est déterminée par de nombreux facteurs, notamment l'espèce et la constitution génétique des cellules, la composition du milieu et la taille de l'inoculum d'origine.

La phase de journalisation

Dans la phase de croissance logarithmique (log), parfois appelée phase de croissance exponentielle, les cellules se divisent activement par fission binaire et leur nombre augmente de façon exponentielle. Pour toute espèce bactérienne donnée, le temps de génération dans des conditions de croissance spécifiques (nutriments, température, pH, etc.) est déterminé génétiquement, et ce temps de génération est appelé taux de croissance intrinsèque. Pendant la phase de log, la relation entre le temps et le nombre de cellules n'est pas linéaire mais exponentielle ; cependant, la courbe de croissance est souvent tracée sur un graphique semilogarithmique, comme le montre la figure (PageIndex{5}), qui donne l'apparence d'une relation linéaire.

Les cellules en phase log montrent un taux de croissance constant et une activité métabolique uniforme. Pour cette raison, les cellules en phase log sont préférentiellement utilisées pour des applications industrielles et des travaux de recherche. La phase logarithmique est également l'étape où les bactéries sont les plus sensibles à l'action des désinfectants et des antibiotiques courants qui affectent la synthèse des protéines, de l'ADN et de la paroi cellulaire.

État stationnaire

Au fur et à mesure que le nombre de cellules augmente au cours de la phase logarithmique, plusieurs facteurs contribuent à un ralentissement du taux de croissance. Les déchets s'accumulent et les nutriments s'épuisent progressivement. De plus, l'épuisement progressif de l'oxygène commence à limiter la croissance des cellules aérobies. Cette combinaison de conditions défavorables ralentit et finalement cale la croissance démographique. Le nombre total de cellules vivantes atteint un plateau appelé phase stationnaire (Figure (PageIndex{4})). Dans cette phase, le nombre de nouvelles cellules créées par division cellulaire est désormais équivalent au nombre de cellules en train de mourir ; ainsi, la population totale de cellules vivantes est relativement stagnante. La densité de culture dans une culture stationnaire est constante. La capacité de charge de la culture, ou densité de culture maximale, dépend des types de micro-organismes présents dans la culture et des conditions spécifiques de la culture ; cependant, la capacité de charge est constante pour un organisme donné cultivé dans les mêmes conditions.

Pendant la phase stationnaire, les cellules passent à un mode de métabolisme de survie. Au fur et à mesure que la croissance ralentit, la synthèse des peptidoglycanes, des protéines et des acides nucléiques ralentit également ; ainsi, les cultures stationnaires sont moins sensibles aux antibiotiques qui perturbent ces processus. Dans les bactéries capables de produire des endospores, de nombreuses cellules subissent une sporulation pendant la phase stationnaire. Les métabolites secondaires, y compris les antibiotiques, sont synthétisés en phase stationnaire. Chez certaines bactéries pathogènes, la phase stationnaire est également associée à l'expression de facteurs de virulence, des produits qui contribuent à la capacité d'un microbe à survivre, à se reproduire et à provoquer des maladies dans un organisme hôte. Par exemple, la détection de quorum dans Staphylococcus aureus initie la production d'enzymes capables de décomposer les tissus humains et les débris cellulaires, ouvrant la voie à la propagation des bactéries dans de nouveaux tissus où les nutriments sont plus abondants.

La phase de la mort

Au fur et à mesure qu'un milieu de culture accumule des déchets toxiques et que les nutriments s'épuisent, les cellules meurent en nombre de plus en plus important. Bientôt, le nombre de cellules mourantes dépasse le nombre de cellules en division, entraînant une diminution exponentielle du nombre de cellules (Figure (PageIndex{4})). C'est la phase de mort qui porte bien son nom, parfois appelée phase de déclin. De nombreuses cellules lysent et libèrent des nutriments dans le milieu, permettant aux cellules survivantes de maintenir leur viabilité et de former des endospores. Quelques cellules, appelées persistantes, sont caractérisées par un métabolisme lent. Les cellules persistantes sont médicalement importantes car elles sont associées à certaines infections chroniques, telles que la tuberculose, qui ne répondent pas au traitement antibiotique.

Maintien de la croissance microbienne

Le modèle de croissance illustré à la figure (PageIndex{4}) se déroule dans un environnement fermé ; les nutriments ne sont pas ajoutés et les déchets et les cellules mortes ne sont pas éliminés. Dans de nombreux cas, cependant, il est avantageux de maintenir les cellules dans la phase logarithmique de croissance. Un exemple est dans les industries qui récoltent des produits microbiens. Un chémostat (Figure (PageIndex{6})) est utilisé pour maintenir une culture continue dans laquelle les nutriments sont fournis à un rythme constant. Une quantité contrôlée d'air est mélangée pour les processus aérobies. La suspension bactérienne est éliminée au même rythme que les nutriments affluent pour maintenir un environnement de croissance optimal.

Exercice (PageIndex{4})

  1. Au cours de quelle phase la croissance se produit-elle au rythme le plus rapide ?
  2. Nommez deux facteurs qui limitent la croissance microbienne.

Mesure de la croissance bactérienne

L'estimation du nombre de cellules bactériennes dans un échantillon, connue sous le nom de numération bactérienne, est une tâche courante effectuée par les microbiologistes. Le nombre de bactéries dans un échantillon clinique sert d'indication de l'étendue d'une infection. Le contrôle de la qualité de l'eau potable, des aliments, des médicaments et même des cosmétiques repose sur des estimations du nombre de bactéries pour détecter la contamination et prévenir la propagation des maladies. Deux approches principales sont utilisées pour mesurer le nombre de cellules. Les méthodes directes impliquent le comptage des cellules, tandis que les méthodes indirectes dépendent de la mesure de la présence ou de l'activité des cellules sans réellement compter les cellules individuelles. Les méthodes directes et indirectes présentent des avantages et des inconvénients pour des applications spécifiques.

Comptage direct de cellules

Le comptage direct des cellules fait référence au comptage des cellules dans une culture liquide ou des colonies sur une plaque. C'est un moyen direct d'estimer le nombre d'organismes présents dans un échantillon. Examinons d'abord une méthode simple et rapide qui ne nécessite qu'une lame spécialisée et un microscope composé.

La façon la plus simple de compter les bactéries s'appelle la numération cellulaire microscopique directe, qui consiste à transférer un volume connu d'une culture sur une lame calibrée et à compter les cellules sous un microscope optique. La lame calibrée est appelée chambre de Petroff-Hausser (Figure (PageIndex{7})) et est similaire à un hémocytomètre utilisé pour compter les globules rouges. La zone centrale de la chambre de comptage est gravée en carrés de différentes tailles. Un échantillon de la suspension de culture est ajouté à la chambre sous une lamelle qui est placée à une hauteur spécifique de la surface de la grille. Il est possible d'estimer la concentration de cellules dans l'échantillon d'origine en comptant les cellules individuelles dans un certain nombre de carrés et en déterminant le volume de l'échantillon observé. La surface des carrés et la hauteur à laquelle la lamelle est positionnée sont spécifiées pour la chambre. La concentration doit être corrigée pour la dilution si l'échantillon a été dilué avant le dénombrement.

Les cellules dans plusieurs petits carrés doivent être comptées et la moyenne prise pour obtenir une mesure fiable. Les avantages de la chambre sont que la méthode est facile à utiliser, relativement rapide et peu coûteuse. Par contre, la chambre de comptage ne fonctionne pas bien avec les cultures diluées car il peut ne pas y avoir assez de cellules pour compter.

L'utilisation d'une chambre de comptage ne donne pas nécessairement un décompte précis du nombre de cellules vivantes car il n'est pas toujours possible de faire la distinction entre les cellules vivantes, les cellules mortes et les débris de la même taille au microscope. Cependant, les nouvelles techniques de coloration par fluorescence permettent de distinguer les bactéries viables et mortes. Ces taches de viabilité (ou taches vivantes) se lient aux acides nucléiques, mais les taches primaires et secondaires diffèrent par leur capacité à traverser la membrane cytoplasmique. Le colorant primaire, qui émet une fluorescence verte, peut pénétrer dans les membranes cytoplasmiques intactes, colorant à la fois les cellules vivantes et mortes. Le colorant secondaire, qui émet une fluorescence rouge, ne peut colorer une cellule que si la membrane cytoplasmique est considérablement endommagée. Ainsi, les cellules vivantes émettent une fluorescence verte car elles n'absorbent que la coloration verte, tandis que les cellules mortes apparaissent en rouge car la coloration rouge déplace la coloration verte sur leurs acides nucléiques (Figure (PageIndex{8})).

Une autre technique utilise un dispositif électronique de comptage de cellules (compteur Coulter) pour détecter et compter les changements de résistance électrique dans une solution saline. Un tube de verre avec une petite ouverture est immergé dans une solution d'électrolyte. Une première électrode est suspendue dans le tube de verre. Une seconde électrode est située à l'extérieur du tube. Lorsque les cellules sont tirées à travers la petite ouverture dans le tube de verre, elles modifient brièvement la résistance mesurée entre les deux électrodes et le changement est enregistré par un capteur électronique (Figure (PageIndex{9})); chaque changement de résistance représente une cellule. La méthode est rapide et précise dans une plage de concentrations ; cependant, si la culture est trop concentrée, plus d'une cellule peut traverser l'ouverture à un moment donné et fausser les résultats. Cette méthode ne fait pas non plus la différence entre les cellules vivantes et mortes.

Les comptages directs fournissent une estimation du nombre total de cellules dans un échantillon. Cependant, dans de nombreuses situations, il est important de connaître le nombre de cellules vivantes ou viables. Le dénombrement des cellules vivantes est nécessaire pour évaluer l'étendue d'une infection, l'efficacité des composés antimicrobiens et des médicaments, ou la contamination des aliments et de l'eau.

Exercice (PageIndex{5})

  1. Pourquoi voudriez-vous compter le nombre de cellules dans plus d'un carré dans la chambre de Petroff-Hausser pour estimer le nombre de cellules ?
  2. Dans la méthode de coloration de viabilité, pourquoi les cellules mortes apparaissent-elles en rouge ?

Numération sur plaque

Le nombre de plaques viables, ou simplement le nombre de plaques, est un nombre de cellules viables ou vivantes. Il est basé sur le principe que les cellules viables se répliquent et donnent naissance à des colonies visibles lorsqu'elles sont incubées dans des conditions adaptées à l'échantillon. Les résultats sont généralement exprimés en unités formant colonie par millilitre (CFU/mL) plutôt qu'en cellules par millilitre, car plusieurs cellules peuvent avoir atterri au même endroit pour donner naissance à une seule colonie. De plus, les échantillons de bactéries qui se développent en grappes ou en chaînes sont difficiles à disperser et une seule colonie peut représenter plusieurs cellules. Certaines cellules sont décrites comme viables mais non cultivables et ne formeront pas de colonies sur des milieux solides. Pour toutes ces raisons, le nombre de plaques viables est considéré comme une faible estimation du nombre réel de cellules vivantes. Ces limitations n'enlèvent rien à l'utilité de la méthode, qui fournit des estimations du nombre de bactéries vivantes.

Les microbiologistes comptent généralement les plaques avec 30 à 300 colonies. Les échantillons avec trop peu de colonies (<30) ne donnent pas des chiffres statistiquement fiables, et les plaques surpeuplées (>300 colonies) rendent difficile le décompte précis des colonies individuelles. De plus, les comptes dans cette plage minimisent les occurrences de plus d'une cellule bactérienne formant une seule colonie. Ainsi, le CFU calculé est plus proche du nombre réel de bactéries vivantes dans la population.

Il existe deux approches courantes pour inoculer des plaques pour des dénombrements viables : la méthode de la plaque de coulée et la méthode de la plaque d'étalement. Bien que la procédure d'inoculation finale diffère entre ces deux méthodes, elles commencent toutes deux par une dilution en série de la culture.

Dilution en série

La dilution en série d'une culture est une première étape importante avant de passer à la méthode de la plaque de coulée ou de la plaque d'étalement.L'objectif du processus de dilution en série est d'obtenir des plaques avec des UFC comprises entre 30 et 300, et le processus implique généralement plusieurs dilutions par multiples de 10 pour simplifier le calcul. Le nombre de dilutions en série est choisi en fonction d'une estimation préalable de la densité de culture. La figure (PageIndex{10}) illustre la méthode de dilution en série.

Un volume fixe de la culture d'origine, 1,0 ml, est ajouté et soigneusement mélangé à la solution du premier tube de dilution, qui contient 9,0 ml de bouillon stérile. Cette étape représente un facteur de dilution de 10, ou 1:10, par rapport à la culture d'origine. A partir de cette première dilution, le même volume, 1,0 mL, est prélevé et mélangé avec un nouveau tube de 9,0 mL de solution de dilution. Le facteur de dilution est maintenant de 1:100 par rapport à la culture d'origine. Ce processus se poursuit jusqu'à ce qu'une série de dilutions soit produite qui encadrera la concentration cellulaire souhaitée pour un comptage précis. A partir de chaque tube, un échantillon est étalé sur un milieu solide en utilisant soit la méthode de la plaque de coulée (Figure (PageIndex{11})) soit la méthode de la plaque d'étalement (Figure (PageIndex{12})). Les plaques sont incubées jusqu'à l'apparition des colonies. Deux à trois plaques sont généralement préparées à partir de chaque dilution et le nombre de colonies comptées sur chaque plaque est moyenné. Dans tous les cas, un mélange minutieux des échantillons avec le milieu de dilution (pour s'assurer que la distribution des cellules dans le tube est aléatoire) est primordial pour obtenir des résultats fiables.

Le facteur de dilution est utilisé pour calculer le nombre de cellules dans la culture cellulaire d'origine. Dans notre exemple, une moyenne de 50 colonies a été comptée sur les plaques obtenues à partir de la dilution 1:10 000. Étant donné que seulement 0,1 mL de suspension a été pipeté sur la plaque, le multiplicateur requis pour reconstituer la concentration d'origine est de 10 × 10 000. Le nombre d'UFC par mL est égal à 50 × 100 × 10 000 = 5 000 000. Le nombre de bactéries dans la culture est estimé à 5 millions de cellules/mL. Le nombre de colonies obtenu à partir de la dilution 1:1000 était de 389, bien en deçà des 500 attendus pour une différence de 10 fois dans les dilutions. Cela met en évidence le problème de l'inexactitude lorsque le nombre de colonies est supérieur à 300 et que plus d'une cellule bactérienne se développe en une seule colonie.

Un échantillon très dilué (eau potable, par exemple) peut ne pas contenir suffisamment d'organismes pour utiliser l'une ou l'autre des méthodes de comptage sur plaque décrites. Dans de tels cas, l'échantillon d'origine doit être concentré plutôt que dilué avant l'étalement. Ceci peut être accompli en utilisant une modification de la technique de comptage sur plaque appelée technique de filtration sur membrane. Les volumes connus sont filtrés sous vide de manière aseptique à travers une membrane avec une taille de pores suffisamment petite pour piéger les micro-organismes. La membrane est transférée sur une plaque de Petri contenant un milieu de croissance approprié. Les colonies sont comptées après incubation. Le calcul de la densité cellulaire est effectué en divisant le nombre de cellules par le volume de liquide filtré.

Regardez cette vidéo pour des démonstrations de dilutions en série et de techniques de plaques étalées.

Le nombre le plus probable

Le nombre de micro-organismes dans les échantillons dilués est généralement trop faible pour être détecté par les méthodes de comptage sur plaque décrites jusqu'à présent. Pour ces échantillons, les microbiologistes utilisent régulièrement la méthode du nombre le plus probable (NPP), une procédure statistique pour estimer le nombre de micro-organismes viables dans un échantillon. Souvent utilisée pour les échantillons d'eau et d'aliments, la méthode MPN évalue la croissance détectable en observant les changements de turbidité ou de couleur dus à l'activité métabolique.

Une application typique de la méthode MPN est l'estimation du nombre de coliformes dans un échantillon d'eau de bassin. Les coliformes sont des bactéries en bâtonnets à Gram négatif qui fermentent le lactose. La présence de coliformes dans l'eau est considérée comme un signe de contamination par les matières fécales. Pour la méthode illustrée à la figure (PageIndex{13}), une série de trois dilutions de l'échantillon d'eau est testée en inoculant cinq tubes de bouillon de lactose avec 10 ml d'échantillon, cinq tubes de bouillon de lactose avec 1 ml d'échantillon, et cinq tubes de bouillon de lactose avec 0,1 ml d'échantillon. Les tubes de bouillon de lactose contiennent un indicateur de pH qui change de couleur du rouge au jaune lorsque le lactose est fermenté. Après l'inoculation et l'incubation, les tubes sont examinés pour une indication de la croissance des coliformes par un changement de couleur du milieu du rouge au jaune. Le premier ensemble de tubes (échantillon de 10 ml) a montré une croissance dans tous les tubes ; le deuxième jeu de tubes (1 ml) a montré une croissance dans deux tubes sur cinq ; dans le troisième jeu de tubes, aucune croissance n'est observée dans aucun des tubes (dilution de 0,1 mL). Les nombres 5, 2 et 0 sont comparés à la figure B1 de l'annexe B, qui a été construite à l'aide d'un modèle probabiliste de la procédure d'échantillonnage. De notre lecture du tableau, nous concluons que 49 est le nombre le plus probable de bactéries pour 100 ml d'eau de bassin.

Exercice (PageIndex{6})

  1. Qu'est-ce qu'une unité formant colonie?
  2. Quelles sont les deux méthodes fréquemment utilisées pour estimer le nombre de bactéries dans les échantillons d'eau ?

Comptages cellulaires indirects

Outre les méthodes directes de comptage des cellules, d'autres méthodes, basées sur une détection indirecte de la densité cellulaire, sont couramment utilisées pour estimer et comparer les densités cellulaires dans une culture. La principale approche consiste à mesurer la turbidité (nébulosité) d'un échantillon de bactéries dans une suspension liquide. L'instrument de laboratoire utilisé pour mesurer la turbidité est appelé spectrophotomètre (Figure (PageIndex{14})). Dans un spectrophotomètre, un faisceau lumineux est transmis à travers une suspension bactérienne, la lumière traversant la suspension est mesurée par un détecteur, et la quantité de lumière traversant l'échantillon et atteignant le détecteur est convertie en pourcentage de transmission ou en une valeur logarithmique appelée absorbance (densité optique). À mesure que le nombre de bactéries dans une suspension augmente, la turbidité augmente également et fait que moins de lumière atteint le détecteur. La diminution de la lumière traversant l'échantillon et atteignant le détecteur est associée à une diminution du pourcentage de transmission et à une augmentation de l'absorbance mesurée par le spectrophotomètre.

La mesure de la turbidité est une méthode rapide pour estimer la densité cellulaire tant qu'il y a suffisamment de cellules dans un échantillon pour produire de la turbidité. Il est possible de corréler les lectures de turbidité au nombre réel de cellules en effectuant une numération sur plaque viable d'échantillons prélevés sur des cultures ayant une plage de valeurs d'absorbance. En utilisant ces valeurs, une courbe d'étalonnage est générée en traçant la turbidité en fonction de la densité cellulaire. Une fois la courbe d'étalonnage produite, elle peut être utilisée pour estimer le nombre de cellules pour tous les échantillons obtenus ou cultivés dans des conditions similaires et avec des densités comprises dans la plage de valeurs utilisées pour construire la courbe.

La mesure du poids sec d'un échantillon de culture est une autre méthode indirecte d'évaluation de la densité de culture sans mesurer directement le nombre de cellules. La suspension cellulaire utilisée pour la pesée doit être concentrée par filtration ou centrifugation, lavée puis séchée avant la prise des mesures. Le degré de séchage doit être standardisé pour tenir compte de la teneur en eau résiduelle. Cette méthode est particulièrement utile pour les micro-organismes filamenteux, qui sont difficiles à dénombrer par comptage direct ou viable sur plaque.

Comme nous l'avons vu, les méthodes pour estimer le nombre de cellules viables peuvent être laborieuses et prendre du temps car les cellules doivent être cultivées. Récemment, des moyens indirects de mesure des cellules vivantes ont été développés qui sont à la fois rapides et faciles à mettre en œuvre. Ces méthodes mesurent l'activité cellulaire en suivant la production de produits métaboliques ou la disparition de réactifs. La formation d'adénosine triphosphate (ATP), la biosynthèse des protéines et des acides nucléiques et la consommation d'oxygène peuvent toutes être surveillées pour estimer le nombre de cellules.

Exercice (PageIndex{7})

  1. À quoi sert une courbe d'étalonnage lors de l'estimation du nombre de cellules à partir de mesures de turbidité ?
  2. Quelles sont les nouvelles méthodes indirectes de comptage des cellules vivantes ?

Modèles alternatifs de division cellulaire

La fission binaire est le schéma de division cellulaire le plus courant chez les procaryotes, mais ce n'est pas le seul. D'autres mécanismes impliquent généralement une division asymétrique (comme dans le bourgeonnement) ou la production de spores dans les filaments aériens.

Chez certaines cyanobactéries, de nombreux nucléoïdes peuvent s'accumuler dans une cellule ronde agrandie ou le long d'un filament, conduisant à la génération de nombreuses nouvelles cellules à la fois. Les nouvelles cellules se séparent souvent du filament parent et flottent dans un processus appelé fragmentation (Figure (PageIndex{15})). La fragmentation est couramment observée chez les Actinomycètes, un groupe de bactéries anaérobies à Gram positif que l'on trouve couramment dans le sol. Un autre exemple curieux de division cellulaire chez les procaryotes, rappelant la naissance vivante chez les animaux, est présenté par la bactérie géante Epulopiscium. Plusieurs cellules filles se développent complètement dans la cellule mère, qui finit par se désintégrer, libérant les nouvelles cellules dans l'environnement. D'autres espèces peuvent former une longue extension étroite à un pôle dans un processus appelé bourgeonnement. La pointe de l'extension gonfle et forme une cellule plus petite, le bourgeon qui finit par se détacher de la cellule mère. Le bourgeonnement est plus fréquent chez la levure (Figure (PageIndex{15})), mais il est également observé chez les bactéries prothétiques et certaines cyanobactéries.

Les bactéries du sol Actinomyces se développent en longs filaments divisés par des septa, similaires aux mycéliums observés chez les champignons, ce qui donne de longues cellules avec plusieurs nucléoïdes. Les signaux environnementaux, probablement liés à la faible disponibilité des nutriments, conduisent à la formation de filaments aériens. Au sein de ces filaments aériens, des cellules allongées se divisent simultanément. Les nouvelles cellules, qui contiennent un seul nucléoïde, se développent en spores qui donnent naissance à de nouvelles colonies.

Exercice (PageIndex{8})

Identifiez au moins une différence entre fragmentation et bourgeonnement.

Biofilms

Dans la nature, les micro-organismes se développent principalement dans des biofilms, des écosystèmes complexes et dynamiques qui se forment sur une variété de surfaces environnementales, des conduites industrielles et des canalisations de traitement de l'eau aux roches du lit des rivières. Cependant, les biofilms ne se limitent pas aux substrats à surface solide. Presque toutes les surfaces dans un environnement liquide contenant des nutriments minimes finiront par développer un biofilm. Les tapis microbiens qui flottent sur l'eau, par exemple, sont des biofilms qui contiennent de grandes populations de micro-organismes photosynthétiques. Les biofilms trouvés dans la bouche humaine peuvent contenir des centaines d'espèces bactériennes. Quel que soit l'environnement dans lequel ils se produisent, les biofilms ne sont pas des collections aléatoires de micro-organismes ; ce sont plutôt des communautés hautement structurées qui offrent un avantage sélectif à leurs micro-organismes constitutifs.

Structure du biofilm

Des observations utilisant la microscopie confocale ont montré que les conditions environnementales influencent la structure globale des biofilms. Les biofilms filamenteux appelés streamers se forment dans l'eau à écoulement rapide, tels que les ruisseaux d'eau douce, les tourbillons et les cellules d'écoulement de laboratoire spécialement conçues qui reproduisent les conditions de croissance dans les fluides en mouvement rapide. Les flûtes sont ancrées au substrat par une « tête » et la « queue » flotte en aval dans le courant. Dans les eaux calmes ou lentes, les biofilms prennent principalement la forme d'un champignon. La structure des biofilms peut également changer avec d'autres conditions environnementales telles que la disponibilité des nutriments.

Des observations détaillées de biofilms au laser confocal et au microscope électronique à balayage révèlent des amas de micro-organismes intégrés dans une matrice entrecoupée de canaux d'eau ouverts. La matrice extracellulaire est constituée de substances polymères extracellulaires (EPS) sécrétées par les organismes du biofilm. La matrice extracellulaire représente une grande partie du biofilm, représentant 50 à 90 % de la masse sèche totale. Les propriétés du PSE varient en fonction des organismes résidents et des conditions environnementales.

L'EPS est un gel hydraté composé principalement de polysaccharides et contenant d'autres macromolécules telles que des protéines, des acides nucléiques et des lipides. Il joue un rôle clé dans le maintien de l'intégrité et de la fonction du biofilm. Les canaux dans l'EPS permettent le mouvement des nutriments, des déchets et des gaz à travers le biofilm. Cela maintient les cellules hydratées, empêchant la dessiccation. L'EPS protège également les organismes du biofilm de la prédation par d'autres microbes ou cellules (par exemple, les protozoaires, les globules blancs dans le corps humain).

Formation de biofilm

Les cellules microbiennes flottantes qui vivent dans un environnement aquatique sont appelées cellules planctoniques. La formation d'un biofilm implique essentiellement la fixation de cellules planctoniques à un substrat, où elles deviennent sessiles (fixées à une surface). Cela se produit par étapes, comme illustré dans la figure (PageIndex{16}). La première étape implique la fixation de cellules planctoniques à une surface recouverte d'un film de conditionnement de matière organique. À ce stade, l'attachement au substrat est réversible, mais à mesure que les cellules expriment de nouveaux phénotypes qui facilitent la formation d'EPS, elles passent d'un mode de vie planctonique à un mode de vie sessile. Le biofilm développe des structures caractéristiques, notamment une matrice étendue et des canaux d'eau. Les appendices tels que les fimbriae, les pili et les flagelles interagissent avec l'EPS, et la microscopie et l'analyse génétique suggèrent que de telles structures sont nécessaires à l'établissement d'un biofilm mature. Dans la dernière étape du cycle de vie du biofilm, les cellules à la périphérie du biofilm reviennent à un mode de vie planctonique, se détachant du biofilm mature pour coloniser de nouveaux sites. Cette étape est appelée dispersion.

Au sein d'un biofilm, différentes espèces de micro-organismes établissent des collaborations métaboliques dans lesquelles les déchets d'un organisme deviennent le nutriment d'un autre. Par exemple, les micro-organismes aérobies consomment de l'oxygène, créant des régions anaérobies qui favorisent la croissance des anaérobies. Cela se produit dans de nombreuses infections polymicrobiennes qui impliquent à la fois des agents pathogènes aérobies et anaérobies.

Le mécanisme par lequel les cellules d'un biofilm coordonnent leurs activités en réponse à des stimuli environnementaux est appelé quorum sensing. La détection du quorum, qui peut se produire entre des cellules de différentes espèces au sein d'un biofilm, permet aux micro-organismes de détecter leur densité cellulaire grâce à la libération et à la liaison de petites molécules diffusibles appelées auto-inducteurs. Lorsque la population cellulaire atteint un seuil critique (un quorum), ces auto-inducteurs initient une cascade de réactions qui activent des gènes associés à des fonctions cellulaires qui ne sont bénéfiques que lorsque la population atteint une densité critique. Par exemple, chez certains agents pathogènes, la synthèse des facteurs de virulence ne commence que lorsque suffisamment de cellules sont présentes pour submerger les défenses immunitaires de l'hôte. Bien que principalement étudié dans les populations bactériennes, le quorum sensing a lieu entre les bactéries et les eucaryotes et entre les cellules eucaryotes telles que le champignon Candida albicans, un membre commun du microbiote humain qui peut provoquer des infections chez les personnes immunodéprimées.

Les molécules de signalisation dans le quorum sensing appartiennent à deux classes principales. Les bactéries à Gram négatif communiquent principalement à l'aide de lactones d'homosérine N-acylées, tandis que les bactéries à Gram positif utilisent principalement de petits peptides (Figure (PageIndex{17})). Dans tous les cas, la première étape du quorum sensing consiste en la liaison de l'auto-inducteur à son récepteur spécifique uniquement lorsqu'une concentration seuil de molécules de signalisation est atteinte. Une fois la liaison au récepteur effectuée, une cascade d'événements de signalisation entraîne des changements dans l'expression des gènes. Il en résulte l'activation de réponses biologiques liées au quorum sensing, notamment une augmentation de la production de molécules de signalisation elles-mêmes, d'où le terme d'autoinducteur.

Biofilms et santé humaine

Le corps humain abrite de nombreux types de biofilms, certains bénéfiques et d'autres nocifs. Par exemple, les couches de microbiote normal qui tapissent les muqueuses intestinales et respiratoires jouent un rôle dans la prévention des infections par les agents pathogènes. Cependant, d'autres biofilms dans le corps peuvent avoir un effet néfaste sur la santé. Par exemple, la plaque qui se forme sur les dents est un biofilm qui peut contribuer aux maladies dentaires et parodontales. Des biofilms peuvent également se former dans les plaies, provoquant parfois des infections graves qui peuvent se propager. La bactérie Pseudomonas aeruginosa colonise souvent les biofilms dans les voies respiratoires des patients atteints de mucoviscidose, provoquant des infections pulmonaires chroniques et parfois mortelles. Des biofilms peuvent également se former sur les dispositifs médicaux utilisés dans ou sur le corps, provoquant des infections chez les patients porteurs de cathéters à demeure, d'articulations artificielles ou de lentilles cornéennes.

Les agents pathogènes intégrés dans les biofilms présentent une résistance plus élevée aux antibiotiques que leurs homologues flottants. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer pourquoi. Les cellules des couches profondes d'un biofilm sont métaboliquement inactives et peuvent être moins sensibles à l'action des antibiotiques qui perturbent les activités métaboliques. L'EPS peut également ralentir la diffusion des antibiotiques et des antiseptiques, les empêchant d'atteindre les cellules dans les couches plus profondes du biofilm. Les changements phénotypiques peuvent également contribuer à la résistance accrue manifestée par les cellules bactériennes dans les biofilms. Par exemple, la production accrue de pompes à efflux, des protéines intégrées à la membrane qui extrudent activement les antibiotiques hors des cellules bactériennes, s'est avérée être un mécanisme important de résistance aux antibiotiques chez les bactéries associées au biofilm. Enfin, les biofilms offrent un environnement idéal pour l'échange d'ADN extrachromosomique, qui comprend souvent des gènes qui confèrent une résistance aux antibiotiques.

Exercice (PageIndex{9})

  1. De quoi est composée la matrice d'un biofilm ?
  2. Quel est le rôle du quorum sensing dans un biofilm ?

Concepts clés et résumé

  • La plupart des cellules bactériennes se divisent par fission binaire. Temps de génération dans la croissance bactérienne est définie comme la doubler tempsde la population.
  • Les cellules d'un système fermé suivent un schéma de croissance en quatre phases : décalage, logarithmique (exponentiel), Stationnaire, et décès.
  • Les cellules peuvent être comptées par comptage direct des cellules viables. Le assiette et assiette à tartiner méthodes sont utilisées pour plaquer dilutions en série dans ou sur, respectivement, de la gélose pour permettre le comptage des cellules viables qui donnent lieu à des unités formant des colonies. Filtration membranaire est utilisé pour compter les cellules vivantes dans des solutions diluées. Le numéro de cellule le plus probable (MPN)La méthode permet d'estimer le nombre de cellules dans les cultures sans utiliser de milieu solide.
  • Des méthodes indirectes peuvent être utilisées pour estimer densité de culture en mesurant turbidité d'une culture ou de la densité de cellules vivantes en mesurant l'activité métabolique.
  • D'autres modèles de division cellulaire incluent la formation de nucléoïdes multiples dans les cellules; division asymétrique, comme dans bourgeonnant; et la formation d'hyphes et de spores terminales.
  • Biofilms sont des communautés de micro-organismes empêtrés dans une matrice de substance polymère extracellulaire. La formation d'un biofilm se produit lorsque planctonique les cellules se fixent à un substrat et deviennent sessile. Les cellules des biofilms coordonnent leur activité en communiquant par détection de quorum.
  • Les biofilms se trouvent couramment sur des surfaces dans la nature et dans le corps humain, où ils peuvent être bénéfiques ou provoquer des infections graves.Les agents pathogènes associés aux biofilms sont souvent plus résistants aux antibiotiques et aux désinfectants.

Choix multiple

Laquelle des méthodes suivantes serait utilisée pour mesurer la concentration de contamination bactérienne dans le beurre d'arachide transformé ?

A. mesure de la turbidité
B. nombre total de plaques
C. mesure du poids sec
D. comptage direct des bactéries sur lame calibrée au microscope

B

Dans quelle phase vous attendriez-vous à observer le plus d'endospores dans un Bacille culture de cellules?

A. phase de mort
B. phase de latence
C. phase de journalisation
Les phases de log, de latence et de mort de D. auraient toutes à peu près le même nombre d'endospores.

UNE

Au cours de quelle phase la pénicilline, un antibiotique qui inhibe la synthèse de la paroi cellulaire, serait-elle la plus efficace ?

A. phase stationnaire

C

Laquelle des définitions suivantes est la meilleure définition du temps de génération dans une bactérie ?

A. le temps qu'il faut pour atteindre la phase de journalisation
B. le temps qu'il faut pour qu'une population de cellules double
C. le temps qu'il faut pour atteindre la phase stationnaire
D. la durée de la phase exponentielle

B

Quelle est la fonction de l'anneau Z dans la fission binaire ?

A. Il contrôle la réplication de l'ADN.
B. Il forme un anneau contractile au niveau du septum.
C. Il sépare les molécules d'ADN nouvellement synthétisées.
D. Il médie l'ajout de nouvelles sous-unités de peptidoglycane.

B

Si une culture commence avec 50 cellules, combien de cellules seront présentes après cinq générations sans mort cellulaire ?

A. 200
B. 400
Vers 1600
D. 3200

C

Les cyanobactéries filamenteuses se divisent souvent par lequel des éléments suivants ?

A. en herbe
B. mitose
C. fragmentation
D. formation d'endospores

C

Quelle est la raison pour laquelle la résistance aux antimicrobiens est plus élevée dans un biofilm que dans les cellules bactériennes flottantes ?

R. L'EPS permet une diffusion plus rapide des produits chimiques dans le biofilm.
B. Les cellules sont plus métaboliquement actives à la base d'un biofilm.
C. Les cellules sont métaboliquement inactives à la base d'un biofilm.
D. La structure d'un biofilm favorise la survie des cellules résistantes aux antibiotiques.

C

Le quorum sensing est utilisé par les cellules bactériennes pour déterminer lequel des éléments suivants ?

A. la taille de la population
B. la disponibilité des nutriments
C. la vitesse d'écoulement de l'eau
D. la densité de la population

Laquelle des affirmations suivantes concernant les auto-inducteurs est incorrecte ?

A. Ils se lient directement à l'ADN pour activer la transcription.
B. Ils peuvent activer la cellule qui les a sécrétées.
C. Les lactones d'homosérine N-acylées sont des auto-inducteurs dans les cellules gram-négatives.
D. Les auto-inducteurs peuvent stimuler la production de facteurs de virulence.

UNE

Remplir les trous

Le comptage direct des cellules totales peut être effectué à l'aide d'un ________ ou d'un ________.

hémocytomètre, chambre de comptage Petroff-Hausser

La méthode ________ permet un comptage direct des cellules totales en croissance sur milieu solide.

numération sur plaque

Une estimation statistique du nombre de cellules vivantes dans un liquide est généralement effectuée par ________.

nombre le plus probable

Pour cette méthode indirecte d'estimation de la croissance d'une culture, vous mesurez ________ à l'aide d'un spectrophotomètre.

turbidité

La croissance active d'une culture peut être estimée indirectement en mesurant les produits suivants du métabolisme cellulaire : ________ ou ________.

ATP, acide de fermentation

Correspondant à

Faites correspondre la définition avec le nom de la phase de croissance dans la courbe de croissance.

___Le nombre de cellules mourantes est supérieur au nombre de cellules en divisionA. Phase de latence
___Nombre de nouvelles cellules égal au nombre de cellules mourantesB. Phase d'enregistrement
___De nouvelles enzymes pour utiliser les nutriments disponibles sont induitesC. Phase stationnaire
___La fission binaire se produit au taux maximumD. Phase de mort

D, C, A, B

Réponse courte

Pourquoi est-il important de mesurer la transmission de la lumière à travers un tube de contrôle contenant uniquement du bouillon lors de la mesure de la turbidité des cultures bactériennes ?

En termes de comptage de cellules, qu'est-ce qu'une méthode de placage accomplit qu'une méthode de comptage de cellules électronique ne fait pas ?

Commandez les étapes suivantes du développement d'un biofilm de la première à la dernière étape.

  1. sécrétion d'EPS
  2. attache réversible
  3. dispersion
  4. formation de canaux d'eau
  5. attachement irréversible

Les infections chez les patients hospitalisés sont souvent liées à la présence d'un dispositif médical chez le patient. Quelles conditions favorisent la formation de biofilms sur les cathéters et prothèses à demeure ?

Esprit critique

Un patient à l'hôpital a un cathéter intraveineux inséré pour permettre l'administration de médicaments, de liquides et d'électrolytes. Quatre jours après l'insertion du cathéter, le patient développe de la fièvre et une infection de la peau autour du cathéter. Les hémocultures révèlent que le patient a une infection transmissible par le sang. Les tests en laboratoire clinique identifient l'agent pathogène transmissible par le sang comme Staphylococcus epidermidis, et des tests de sensibilité aux antibiotiques sont effectués pour fournir aux médecins des informations essentielles pour sélectionner le meilleur médicament pour le traitement de l'infection. La chimiothérapie antibactérienne est initiée et administrée par le cathéter intraveineux qui a été initialement inséré dans le patient. Dans les 7 jours, l'infection cutanée a disparu, les hémocultures sont négatives pour S. epidermidis, et la chimiothérapie antibactérienne est interrompue. Cependant, 2 jours après l'arrêt de la chimiothérapie antibactérienne, le patient développe une autre fièvre et une infection cutanée et les hémocultures sont positives pour la même souche de S. epidermidis qui avait été isolé la semaine précédente. Cette fois, les médecins retirent le cathéter intraveineux et administrent des antibiotiques par voie orale, qui traitent avec succès à la fois la peau et les infections transmissibles par le sang causées par S. epidermidis. De plus, l'infection ne revient pas après l'arrêt de la chimiothérapie antibactérienne orale. Quelles sont les raisons possibles pour lesquelles la chimiothérapie intraveineuse n'a pas réussi à guérir complètement le patient malgré des tests de laboratoire montrant que la souche bactérienne était sensible à l'antibiotique prescrit ? Pourquoi le deuxième cycle d'antibiothérapie aurait-il été plus efficace ? Justifiez vos réponses.

Pourquoi les auto-inducteurs sont-ils de petites molécules ?

Reportez-vous à la figure B1 de l'annexe B. Si les résultats d'un échantillon d'eau d'étang étaient enregistrés sous la forme 3, 2, 1, quel serait le NPP des bactéries dans 100 ml d'eau d'étang ?

Reportez-vous à la figure. Pourquoi la turbidité perd-elle en fiabilité à des concentrations cellulaires élevées lorsque la culture atteint la phase stationnaire ?


5.1 : Comment les microbes se développent - Géosciences

Nataliya, une femme enceinte de 24 ans dans son deuxième trimestre, se rend dans une clinique avec des plaintes de fièvre élevée, 38,9 °C (102 °F), de fatigue et de douleurs musculaires, signes et symptômes typiques de la grippe. Nataliya fait régulièrement de l'exercice et suit un régime nutritif en mettant l'accent sur les aliments biologiques, y compris le lait cru qu'elle achète sur un marché fermier local. Tous ses vaccins sont à jour. Cependant, le fournisseur de soins de santé qui voit Nataliya est inquiet et ordonne qu'un échantillon de sang soit envoyé pour analyse par le laboratoire de microbiologie.

Nous reviendrons sur l'exemple de Nataliya dans les pages suivantes.

Le cycle cellulaire bactérien implique la formation de nouvelles cellules par la réplication de l'ADN et la partition des composants cellulaires en deux cellules filles. Chez les procaryotes, la reproduction est toujours asexuée, bien qu'une recombinaison génétique étendue sous forme de transfert horizontal de gènes ait lieu, comme cela sera exploré dans un chapitre différent. La plupart des bactéries ont un seul chromosome circulaire, cependant, il existe quelques exceptions. Par exemple, Borrelia burgdorferi, l'agent causal de la maladie de Lyme, possède un chromosome linéaire.


1.2 : Un génie dans une bouteille (15 minutes)

Activité

Le but de cette activité est de permettre aux élèves d'explorer deux modèles de croissance et de remarquer qu'un modèle de doublement finit par devenir très, très grand même avec une petite valeur de départ. Les élèves peuvent effectuer un calcul répété ou généraliser le processus en écrivant des expressions ou des équations.

La mise à disposition de la technologie des tableurs donne aux étudiants la possibilité de choisir les outils appropriés de manière stratégique (MP5).

Lancer

Donner accès à des calculatrices ou des feuilles de calcul. Présentez la situation (soit en demandant aux élèves de la lire tranquillement, soit en faisant une lecture dramatique). Avant que les élèves ne fassent un calcul ou tout autre travail, demandez à la classe quelle option ils pensent être la meilleure. Affichez les résultats du sondage (le nombre d'étudiants qui pensent que la bourse A est meilleure et la bourse B est meilleure) pour que tout le monde puisse les voir.

Vous marchez le long d'une plage et votre orteil heurte quelque chose de dur. Vous vous penchez, vous saisissez une poignée et vous sortez une lampe ! C'est sablonneux. Vous commencez à le brosser avec votre serviette. Pouf ! Un génie apparaît.

Il vous dit : « Merci de m'avoir libéré de cette bouteille ! Je devenais claustrophobe. Vous pouvez choisir l'un de ces sacs à main comme récompense. »

  • Bourse A qui contient $1,000 aujourd'hui. Si vous le laissez seul, il contiendra $1200 demain (par magie). Le lendemain, il aura $1400. Ce modèle de $200 dollars supplémentaires par jour se poursuivra.
  • Bourse B qui contient 1 penny aujourd'hui. Laissez ce centime là-dedans, car demain il se transformera (comme par magie) en 2 centimes. Le lendemain, il y aura 4 centimes. Le montant de la bourse continuera de doubler chaque jour.
  1. Combien d'argent sera dans chaque sac à main après une semaine ? Après deux semaines?
  2. Le génie a ajouté plus tard qu'il laisserait fructifier l'argent de chaque sac à main pendant trois semaines. Combien d'argent sera dans chaque sac à main alors?
  3. Quelle bourse contient plus d'argent après 30 jours ?

Réponse de l'étudiant

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Idées fausses anticipées

Certains élèves peuvent confondre les unités des deux bourses. Rappelez-leur que la bourse B contient des centimes (et donc des cents plutôt que des dollars).

En raison de leur expérience antérieure avec les histoires de génie, les étudiants peuvent se méfier des offres. Demandez-leur de montrer leur raisonnement mathématique, plutôt que de fonder leur choix de porte-monnaie sur leurs soupçons ou d'autres considérations telles que la façon de porter un porte-monnaie contenant plus de 2 millions de centimes.

Synthèse d'activité

Concentrez la discussion sur la façon dont les élèves ont trouvé les sommes d'argent dans les deux sacs à main après plusieurs jours. Invitez les élèves qui ont effectué des calculs récursifs et ceux qui ont écrit des expressions ou des équations à partager. Enregistrez et affichez le raisonnement des élèves à la vue de tous. Voir le raisonnement répété soutiendra le travail de généralisation des élèves plus tard. Par exemple, le montant de la bourse A sera (1,!000 + 200) pour le jour 1, puis (1,!000 + 200 + 200) pour le jour 2, (1,!000 + 200 + 200 + 200) pour le jour 3, et ainsi de suite. Connectez-le à des expressions écrites telles que (1,000+200 oldcdot 3) et (1,000+200x) où (x) représente le nombre de jours depuis l'apparition du génie.

Pour la bourse B, mettez en évidence le fait qu'après deux jours, elle contient ((1 oldcdot 2) oldcdot 2) cents, soit (2^2) cents. Après trois jours, il contient ((1 oldcdot 2 )oldcdot 2 oldcdot 2) cents, soit (2^3) cents. (Ici, le jour où le génie apparaît est considéré comme le jour 0.) C'est une bonne occasion de souligner le sens de la notation exponentielle. La notation exponentielle est particulièrement utile pour exprimer le montant de la bourse B au jour 30, qui est (2^<30>) cents.

Si aucun élève n'utilise une feuille de calcul, pensez à montrer comment elle peut être utile pour effectuer des calculs comme ceux-ci.


Les microbes de Schrödinger : des outils pour distinguer les vivants des morts dans les écosystèmes microbiens

Bien que souvent évident pour les organismes macroscopiques, déterminer si un microbe est mort ou vivant est lourd de complications. Des domaines tels que l'écologie microbienne, la santé environnementale et la microbiologie médicale déterminent chacun la meilleure façon d'évaluer quels membres de la communauté microbienne sont vivants, en fonction de leurs besoins scientifiques et/ou réglementaires respectifs. Bon nombre de ces domaines sont passés de l'étude des communautés à un niveau global à la résolution à petite échelle des populations microbiennes au sein de consortiums. Par exemple, les progrès des technologies de séquençage des acides nucléiques et des analyses bioinformatiques en aval ont permis d'avoir un aperçu à haute résolution de la composition de la communauté microbienne et du potentiel métabolique, mais nous savons très peu de choses sur le fait que ces séquences d'ADN de la communauté représentent des micro-organismes viables. Dans cette revue, nous décrivons un certain nombre de techniques, de la microscopie aux techniques moléculaires, qui ont été utilisées pour tester la viabilité (détermination des vivants/morts) et/ou l'activité dans divers contextes, y compris des techniques plus récentes qui sont compatibles ou complémentaires au séquençage des acides nucléiques en aval. Nous décrivons la compatibilité de ces évaluations de viabilité avec des techniques de quantification à haut débit, y compris la cytométrie en flux et la PCR quantitative (qPCR). Bien que les caractérisations des communautés liées à la viabilité bactérienne soient désormais réalisables dans de nombreux environnements et soient donc au centre de cet examen critique, le développement de méthodes supplémentaires est nécessaire pour les échantillons environnementaux complexes et pour capturer plus complètement la diversité des microbes (par exemple, les microbes et virus eucaryotes) et les états métaboliques (par exemple, les spores) des microbes dans les environnements naturels.

Mots clés: Séquençage de l'ADN Cytométrie en flux Infectivité Vivant/mort Biomasse faible Métagénomique Écologie microbienne PMA ARN Viabilité qPCR.

Les figures

Tour d’horizon des techniques pour distinguer…

Présentation des techniques permettant de distinguer les microbes vivants des microbes morts. À la fois dépendant de la culture et indépendant de la culture…

Exemple de kits de coloration Live/Dead…

Exemple de kits de coloration Live/Dead appliqués à deux échantillons bactériens et un eucaryote…

Flux de travail de coloration en direct/mort, iodure de propidium…

Flux de travail de coloration en direct/mort, exemple d'iodure de propidium (PI). Dans cette technique, l'échantillon est…

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Résumé des techniques basées sur l'ARN. Les techniques qui utilisent directement l'ARN ont lignes de chemin roses…

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Autoradiographie. L'incorporation d'isotopes radiomarqués par des organismes métabolisant activement détectés par la suite à…

2 mm avec une trancheuse à gel, puis congelés entre deux plaques de verre, qui ont été retirées avant l'autoradiographie. Les tapis congelés ont été exposés à un film radiographique pendant 2 à 14 semaines à -80 °C. Le film développé a été placé dans un agrandisseur photographique et utilisé comme négatif pour imprimer l'image sur la droite et contraste avec la photographie du tapis gelé sur le la gauche. Le zones blanches dans le panneau d'autoradiographie correspondent au 14 C stable à l'acide incorporé dans l'échantillon de tapis, indiquant les membres de la communauté en train de photosynthétiser activement

Un microbe transitoirement "mort". Compétent…

Un microbe transitoirement "mort". Compétent E. coli (cellules NEB5α cellules compétentes, cat #…


5.4 Configuration dans CrunchFlow Exemple 5.1

Le système : j'ai une bouteille de 200 ml dans ma cuisine. Je laisse accidentellement tomber des grains de terre récemment fertilisés de mon jardin dans la bouteille. Je ferme la bouteille après l'accident. Le sol contient des cellules microbiennes, du carbone organique (en supposant la formule de l'acétate) et du nitrate. L'acétate initial et NO3 les concentrations dans le flacon sont respectivement de 5,0 et 1,0 mmol/L. Supposons initialement qu'il y ait de l'O dissous2 dans l'eau à la concentration de 0,28 mmol/L alors que tous les autres produits chimiques du sol ne sont pas réactifs. La concentration initiale de biomasse d'O2-les biomasses réductrices et réductrices de nitrates sont respectivement de 2,0×10 -6 et 1,5×10 -6 mol-biomasse/L. Dans la bouteille, j'ai mis des poudres magiques (à inventer dans le futur par ma fille Melinda Wu !) qui montreraient automatiquement les concentrations d'espèces chimiques sans avoir besoin de mesures (ce serait mon rêve devenu réalité !). Les réactions à médiation microbienne se déroulent comme suit :

Oxydation aérobie ( f s = 0,6 et f e = 0,4 ) :

0,500 O 2 ( a q ) + 0,417 C H 3 C O O − + 0,067 N H 4 + →
0,067 C 5 H 7 O 2 N A O B + 0,500 H C O 3 − + 0,200 H 2 O + 0,150 H +

Dénitrification ( f s = 0,55 et f e = 0,45 ) :

0,090 N O 3 − + 0,125 C H 3 C O O − + 0,0275 N H 4 + + 0,075 H + → 0,0275 C 5 H 7 O 2 N N R B + 0,1125 H C O 3 − + 0,1275 H 2 O + 0,045 N 2 ( a q )

Tableau 1. Paramètres cinétiques des réactions à médiation microbienne*
Réactions μ max (mol/mol-biomasse/an) K m , a c e p t o r (mol/kgw) K m , d o n o r (mol/kgw) K I , O 2 ( a q ) (mol/kgw)
Aérobique 50000 1,00x10 -4 1,00x10 -3
Dénitrification 20000 1,00x10 -3 1,00x10 -3 1,00x10 -6

*La plage des paramètres pertinents est tirée de Cheng et al., 2016 Li et al., 2010.

  1. Quelle réaction se produirait en premier ?
  2. Qu'attendez-vous de voir l'évolution des concentrations pour l'espèce : acétate, O2(aq), nitrate, carbone inorganique total et biomasse pour les dénitrifiants. Tracez leurs concentrations en fonction du temps sur la même figure.

Veuillez regarder la vidéo suivante : Réactions à médiation microbienne (24:50)

Réactions à médiation microbienne

Li Li : Alors commençons. Ceci est la leçon 5, nous allons donc parler des réactions à médiation microbienne. J'ai mis dans les documents de lecture l'importance des réactions à médiation microbienne - à quel point elles sont omniprésentes dans l'environnement naturel. Et nous avons également parlé de l'échelle redox biogéochimique dans le matériel de lecture. Les choses se passent donc dans l'ordre.

Et puis nous avons cet exemple de - nous parlons de sols, alors j'ai attrapé un peu de terre dans la cour arrière, je l'ai mis dans une bouteille d'eau dans la cuisine. C'est donc la coupe, je dirais. C'est donc le système que nous avons. Dans cet exemple, nous y avons mis de la terre. Fermons-le. Nous avons de l'eau là-bas. Nous avons donc de la terre. Mettons-les simplement comme des grains.

Et l'eau contient à l'origine de l'oxygène. Et je vous ai dit que le sol que j'ai vient juste d'être fertilisé. Cela signifie que vous aurez du nitrate dans le système. Donc, essentiellement, dans le système, vous avez de l'oxygène et du nitrate comme accepteurs d'électrons. Et généralement, par exemple, le sol contient généralement déjà des bactéries. Les microbes sont partout. Ils font beaucoup de travail.

Et aussi, généralement, vous vous attendriez à ce que le carbone du sol ait - le sol ait de la matière organique. Donc, essentiellement, il contient également du carbone organique, que nous utilisons de l'acétate pour le représenter. Donc, essentiellement, nous parlons d'un système qui contient de l'eau. C'est bien mélangé. Il contient des bactéries. Utilisons donc cela pour représenter les bactéries. Et il a deux récepteurs d'électrons, l'oxygène et le nitrate. Parfait.

Nous avons un système. Nous savons qu'il va se passer quelque chose, n'est-ce pas ? Et encore une fois, c'est bien mélangé. On ne parle pas encore du transport advectif, de la dispersion-diffusion. Il s'agit donc d'un système bien mélangé, ce qui signifie qu'il n'y a pas de gradient de concentration dans le système.

Maintenant, alors, l'autre système que vous avez-- donc vous avez des microbes Nous utilisons des microbes La formule pour les bactéries est C5 H7 ON. Quelque chose comme ca. Et cela dépend de quel type de bactérie il s'agit. S'il utilise de l'oxygène, alors nous mettons de l'oxygène de côté, juste pour indiquer qu'il s'agit de bactéries réductrices d'oxygène. S'il s'agit de bactéries réduisant les nitrates, nous y mettons du nitrate, juste pour faire la distinction entre les deux bactéries différentes.Donc, essentiellement, vous avez deux types de bactéries dans le système.

C'est le système que vous avez. Et qu'est-ce qu'il y a ? Tous les joueurs, non ? Maintenant, nous pensons aux réactions, quelles sont les réactions ? Donc tout d'abord, nous parlons de, dans l'échelle redox biogéochimique, l'oxygène est celui qui va être utilisé en premier, car il a généralement une vitesse de réaction rapide. Les microbes en tirent également plus d'énergie. Cela signifie donc qu'il a un avantage de croissance, car il peut croître davantage avec la même quantité de carbone organique que lui. Donc, le premier que nous appelons l'oxydation aérobie, ce qui signifie que vous avez la transformation du CH3--nous utilisons de l'acétate pour représenter le carbone organique. Je ne mets pas tous ces chiffres dans la stoechiométrie. Mais essentiellement, il suffit d'écrire quels sont les principaux produits.

Ainsi, le carbone organique va s'oxyder pour devenir du bicarbonate ou d'autres formes de carbone. S'il s'agit d'un état relativement acide, vous pourriez avoir du CO2 qui sort. Et vous avez de l'eau ou de l'hydrogène dans toutes les conditions que cela permet. Et puis vous développeriez des bactéries.

La bactérie est donc aussi l'un des produits dont on parle. Il aura du N. Et puis produire de l'oxygène. Ce sont des bactéries ou des microbes réducteurs d'oxygène ou aérobies. C'est donc la réaction liée à l'oxygène.

Nous parlons donc de, OK, cette réaction se produira en premier. Et rappelez-vous, il s'agit d'un système fermé, ce qui signifie que nous avons d'abord une certaine quantité d'oxygène dissous, puis il va s'épuiser avec le temps à cause de la réaction. Donc les microbes vont l'utiliser. Et puis, les prochaines étapes, la prochaine réaction qui va se produire sera la dénitrification.

Donc, vous aurez, encore une fois, en supposant que nous aurons beaucoup de carbone organique là-bas. Alors vous aurez du nitrate. Encore une fois, il y aura du carbone inorganique qui sera produit. C'est le même processus, si vous y réfléchissez, que le système humain. Nous respirons de l'oxygène. Nous mangeons des aliments, comme des céréales, du pain, du riz, différents types de carbone organique essentiellement. Et puis nous expirons du CO2, qui est essentiellement une autre forme de bicarbonate, n'est-ce pas ? Et puis l'eau. N'écrivons pas ça.

Et puis vous avez un autre type de bactérie qui arrive - un microbe qui sort, qui sera le microbe de dénitrification. Ce sont donc les deux moteurs du système. Mais alors, généralement, vous auriez également - j'écris juste à côté - il devrait y avoir une réaction assez rapide par rapport à ces réactions à médiation microbienne. Serait la transition entre le CO2 aq, le bicarbonate et le carbone. Ce sont les espèces de carbone inorganique dont nous savons qu'elles vont se produire. On en parle dans les réactions de spéciation aqueuse ou de complexation aqueuse dont nous avons parlé précédemment. Ce sont donc des réactions très rapides. Donc, les principaux moteurs sont vraiment ceux-ci. Et si nous avons d'autres espèces, par exemple, le calcium ou le magnésium, s'il y en a beaucoup, il pourrait y avoir des précipitations, car ces réactions produiront beaucoup de bicarbonate. Et le bicarbonate peut... quand les conditions le permettent, il peut précipiter de la calcite, par exemple.

Nous n'allons pas nous concentrer sur ces derniers. Notre objectif principal ici, en ce moment, est de parler de ces pilotes. Et s'il y a des applications que vous devrez considérer comme quelque chose qui serait spécifique à des applications particulières.

Nous avons donc ces réactions. Ce sont les processus sur lesquels nous nous concentrons. Et puis nous penserons à l'espèce. Quelles autres espèces existe-t-il ? Donc, bien sûr, nous aurions tous les accepteurs d'électrons là-bas, c'est-à-dire l'oxygène, l'oxygène dissous. Vous avez du nitrate. Vous avez son CH3 COO. Ce sont les variables que nous résolvons dans ces équations.

Et puis nous avons aussi... mettons le bicarbonate. Mais nous savons que ce sera aussi du carbonate, du CO2 aq ou du H2 CO3. Ces trois sont presque équivalents les uns avec les autres. L'ion hydrogène, bien sûr, et puis ça va avec OH-. Accepteur d'électrons, donneur d'électrons, produits. L'azote c'est... j'ai écrit ? D'ACCORD. Ici, je devrais en ajouter un autre, qui est le produit de la dénitrification. Un produit de dénitrification sera N2. Il pourrait y avoir beaucoup de... quelques autres produits de réaction intermédiaires, comme le NO2-. Les gens ont vu ça. Ou de l'ammoniaque, même. Cela pourrait arriver aussi. Nous utilisons juste ceci comme exemple. Donc N2. Ce sont donc les espèces principales.

Mais aussi, lorsque nous les résolvons, lorsque nous écrivons ces quatre réactions en termes de ces réactions. Microbe comme produits. Nous devrions également avoir C5 H7 ON0 O2. Et puis C5. Ce sont aussi les deux principaux produits. Il n'y a pas que les espèces abiotiques. Nous considérerions que les microbes sont également les produits de cette réaction. Ce sont donc les espèces que vous résolvez.

Nous ne parlons donc pas d'autres réactions de complexation. Donc vraiment, nous nous concentrons sur ces espèces. Et vous savez probablement rapidement qu'à ce moment-là, ce sont les--cela pourrait être la deuxième espèce, la deuxième espèce, la deuxième espèce. Ce sont les choses que nous considérons. Et puis les espèces primaires seraient l'oxygène, le nitrate, ceci, cela, l'hydrogène, N2, N2, et cela. Ce sont les espèces primaires. Permettez-moi d'écrire comme primaire pour indiquer la couleur. C'est donc ce que vous avez en termes de variables que nous résolvons. Maintenant, encore une fois, nous parlons du système bien mélangé. Donc, quand nous pensons aux réactions, aux équations, ce serait vraiment la réaction en termes -- par exemple, pour l'oxygène, vous avez quelque chose comme ça. Ce serait dc dt pour l'oxygène, par exemple.

L'oxygène est consommé. Donc le volume-- donc c'est vraiment le volume de la bouteille, la masse, puis le temps de ce dc dt. Mais alors vous avez aussi, essentiellement, le mu. Le mu-- appelons ce mu le coefficient stoechiométrique. Le poisson ça consomme. C'est dans le côté gauche de la réaction, ce qui signifie qu'il est consommé. C'est donc stoechiométrique. Si, par exemple, c'est 0,5, cette valeur sera de 0,5. Et puis nous serons-- nous pensons à la consommation. Le taux de celui-ci suivra Monod, double cinétique Monod. Donc, vous auriez ce mu max pour le terme d'oxygène. Et puis nous avons ceci... combien de bactéries là-bas. Ce sera donc le C5 H7 O2 N.

Je devrais avoir un O2 ici. C'est pourquoi j'ai l'impression qu'il manque quelque chose. C'est étrange. O2. Il devrait y avoir de l'O2 là-bas. Très bien. Vous avez donc ces espèces, O2, et ce sont des bactéries réductrices d'oxygène. Donc mu max, concentration de biomasse, et alors vous devriez avoir deux termes Monod. L'un est pour la concentration d'oxygène, puis le Km d'oxygène plus la concentration d'O2. C'est un accepteur d'électrons. Et puis vous avez le C--. Désolé, j'écris un peu de-- donc ce serait le moment, non? Donc Km, puis le plus C acétate. CH3. Je ne peux plus écrire, mais vous voyez ce que je veux dire. C'est donc un électron. Donneur d'électrons à terme. Terme accepteur biomasse. Vitesses de réaction maximales. Voilà pour l'oxygène.

De même, vous écririez ceci pour V dc. Il est également consommé. Donc, essentiellement, vous auriez la même chose, mais vous aurez mu de CH3 COO- et la même expression. Droite? C'est la même réaction. Nous consommons simplement différentes espèces chimiques dans des proportions différentes. Et tu écrirais encore, aussi, pour le bicarbonate. C'est l'un des produits. Donc, vous devriez vraiment avoir un signe positif avant cela. Il faut donc écrire V dc dt. Ce serait comme le carbone total. Et puis mu de bicarbonate. Alors tout cela continue. Vous écrirez donc pour tout cela.

Maintenant, quand vous écrivez pour -- donc si vous n'avez que de l'oxygène, vous auriez de l'oxygène, cet acétate, ce bicarbonate et d'autres espèces. Il est assez bien. Mais si vous avez de l'azote, alors votre équation pour l'azote serait un peu différente, dans le sens où vous auriez la même chose. Mais ils seraient remplacés par de l'acétate de nitrate. Mais vous aurez le terme d'inhibition par l'oxygène, car l'oxygène agirait comme inhibiteur pour que la dénitrification se produise. Lorsque vous avez beaucoup d'oxygène dans le système, la dénitrification ne se produira pas. Ce n'est qu'après que cette concentration d'oxygène a été réduite à des niveaux que ce terme est plus ou moins beaucoup plus élevé que cela, alors cette valeur serait proche de 1. Ensuite, la dénitrification commence vraiment. C'est donc pour le nitrate. Remarquez également, lorsque vous avez les deux accepteurs d'électrons, cette réaction se produira en même temps juste, au début, l'oxygène qui sera le dominant, car ce terme aura une très petite valeur, empêchera la dénitrification de se produire. Mais alors ceci, le taux de ceci deviendra de plus en plus petit parce que l'oxygène devient de plus petites concentrations, ce terme devient de plus en plus grand. Il y a donc un basculement entre les différents accepteurs d'électrons. L'autre chose est que lorsque vous avez plusieurs accepteurs d'électrons, lorsque vous écrivez ces équations d'acétate ou lorsque vous les écrivez pour le carbone inorganique produit, vous avez également besoin de plusieurs termes, car le processus de dénitrification contribue également à la consommation d'acétate et à la production de bicarbonate. Ce sont des produits communs ou des réactifs communs. Vous avez donc plusieurs termes si vous avez le terme lié aux nitrates.

Je ne vais pas tout détailler. Mais essentiellement, c'est ce que vous pensez aurait. Donc résoudre ces équations. Disons que vous avez toutes les espèces. Vous allez écrire combien d'équations indépendantes pour les espèces primaires. Et vous avez trois réactions rapides que vous pouvez former des relations algébriques pour résoudre ces autres espèces secondaires. Vous résolvez tout en fonction du temps. C'est donc dt. Ce n'est pas t partiel. Maintenant, dans ce cas, que pensez-vous qu'il se passera lorsque nous aurons ces produits ? Donc je dis que nous avons mis de la poudre magique dans la bouteille qui nous aidera. Nous lisons nos chiffres. Selon vous, quelle sera la tendance de l'oxygène, par exemple ? Et quelle va être la tendance de l'évolution temporelle du nitrate. Utiliser du nitrate pour celui-ci. À quoi pensez-vous qu'ils vont ressembler en termes de courbe? Ce sera donc en fait la sortie du modèle. Vous pouvez voir comment cela allait se passer. Donc, l'oxydation aérobie va se produire. Tout d'abord, la concentration en oxygène va être consommée en premier, puis diminuée. Alors disons que c'est peut-être l'oxygène qui part d'ici. Vous voyez une tendance à la baisse de l'oxygène. Disons que c'est quelque chose comme ça.

Et puis, qu'en est-il du nitrate ? Donc le nitrate est... au début, parce qu'il était en présence d'oxygène, vous ne verriez pas beaucoup de nitrate diminuer. Alors probablement, au début, ça va, disons, commencer quelque part ici. Ce sera relativement plat. Mais aussi, quand l'azote... Je suis désolé. Lorsque l'oxygène commence à diminuer, il commence juste à montrer un signe de - cela dépend des taux. À quelle vitesse, combien de temps cela prendra. Ça dépend. Donc, quand c'est comme presque complètement épuisé, alors vous auriez un peu de nitrate qui bat son plein. Et puis ça va diminuer très vite. Mais alors, quand vous pensez aux produits, cela a produit du N2. Donc N2, disons, au début, ce n'est pas grand-chose. C'est presque zéro. Maintenant, lorsque le nitrate commence à être dénitrifié, le N2 commence à augmenter. Augmenter. C'est presque comme au milieu - ça reflète presque le nitrate. Ce serait donc N2. C'est le produit de la dénitrification. Diminution de l'oxygène, suivie d'une diminution des nitrates et d'une augmentation de l'oxygène.

Et si vous aviez aussi du sulfate ? Utilisons une autre couleur. Utilisons à nouveau le bleu. Et si vous avez du nitrate ? Supposons donc qu'il n'y a pas d'ion là-bas. Donc, quand vous avez du sulfate, il y a donc un autre accepteur d'électrons, qui est le sulfate, qui est également assez actif dans l'environnement souterrain. Probablement pas dans un sol très peu profond, mais un peu plus profond, quand vous n'avez pas beaucoup d'oxygène, vous avez tendance à avoir du sulfate.

Donc le sulfate serait probablement, disons, quelque chose comme... commençons ici. Il commencerait à diminuer lorsque cette dénitrification se produirait. Ensuite, la concentration diminue. Ensuite, il en suivra peut-être un – cela dépend du nombre de donneurs d'électrons et d'accepteurs que vous avez. Cela représente le sulfate. Et le produit de cela est des sulfures. Donc les sulfures seraient probablement petits au début. Mais cela augmenterait avec le temps. Quelque chose comme ca. Appelez ça HS-. C'est comme se terminer au hasard. Un autre électron, sauf que ce n'est pas une équation facile. Mais si vous devez également écrire pour le sulfate, vous auriez alors trois réactions majeures à médiation microbienne. Et en plus de cela, vous auriez également une équation liée à la production de sulfate et de sulfure. Et notez également que la réduction des sulfates sera inhibée à la fois par l'oxygène et les nitrates. Vous avez donc deux termes d'inhibition. Donc, dans ce cas, ce n'est que lorsque l'oxygène et les nitrates sont appauvris en très petite quantité, que la réduction des sulfates peut commencer à se produire. Donc, ces termes d'inhibition assureraient vraiment l'échelle redox biogéochimique dans le système.

D'ACCORD. C'est donc ce que nous avons pour cette unité, pour cette leçon. Et vous pouvez l'utiliser. Mettra en place une scène pour que vous fassiez vos devoirs. Pensez aux différentes réactions qui vont se produire en séquence dans les systèmes naturels - dans le sol, les aquifères, puis comment évoluent les microbes et les différentes concentrations impliquées avec le temps.

En fait, nous n'avons pas beaucoup parlé des microbes. Mais la concentration microbienne augmentera avec le temps, suivant où les différents types suivront leur propre accepteur d'électrons. Evolution des accepteurs d'électrons. La diminution de l'oxygène et les microbes aérobies seront augmentés. Des choses comme ça. D'ACCORD. Alors laissez-moi m'arrêter ici, et vous êtes prêt à faire vos devoirs. Merci.


Les microbes suivent Humboldt : la température détermine les modèles de diversité microbienne des plantes et des sols de l'Amazonie aux Andes

Il y a plus de 200 ans, Alexander von Humboldt a signalé que la richesse en espèces de plantes tropicales diminuait avec l'augmentation de l'altitude et la baisse de la température. Étonnamment, les modèles coordonnés de la diversité végétale, bactérienne et fongique sur les montagnes tropicales n'ont pas encore été observés, malgré le rôle central des micro-organismes du sol dans la biogéochimie et l'écologie terrestres. Nous avons étudié un transect andin traversant 3,5 km d'altitude pour tester si la diversité des espèces et la composition des plantes des forêts tropicales, des bactéries du sol et des champignons suivent des modèles biogéographiques similaires avec des facteurs environnementaux communs. Nous avons trouvé des changements coordonnés avec l'altitude dans les trois groupes : la richesse en espèces diminuait à mesure que l'altitude augmentait, et la différence de composition entre les communautés augmentait avec une séparation accrue en altitude, bien que les changements dans la diversité végétale soient plus importants que chez les bactéries et les champignons. La température était le moteur dominant de ces gradients de diversité, avec de faibles influences des propriétés édaphiques, y compris le pH du sol. Les gradients de diversité microbienne étaient fortement corrélés avec les activités des enzymes impliquées dans le cycle de la matière organique et s'accompagnaient d'une transition des traits microbiens vers des taxons oligotrophes à croissance plus lente à des altitudes plus élevées. Nous fournissons la première preuve de modèles coordonnés induits par la température dans la diversité et la distribution de trois groupes biotiques majeurs dans les écosystèmes tropicaux : les bactéries du sol, les champignons et les plantes. Ces résultats suggèrent que des modèles interdépendants et fondamentaux de communautés végétales et microbiennes avec des moteurs environnementaux partagés se produisent à toutes les échelles du paysage. Ces modèles sont révélés là où le pH du sol est relativement constant et ont des implications pour les communautés forestières tropicales en cas de changement climatique futur.

Mots clés: Pérou biogéographie gradient d'altitude écologie microbienne diversité phylogénétique écologie végétale forêts tropicales.

© 2018 The Authors Ecology publié par Wiley Periodicals, Inc. au nom de l'Ecological Society of America.

Les figures

Le transect d'élévation de Kosñipata, Manu…

Le transect d'élévation de Kosñipata, Parc National de Manu, Pérou. Le panneau supérieur montre le…


L'influence du microbiome sur le cancer et le traitement du cancer

Avec l'avènement du NGS, nous avons maintenant la capacité d'étudier en détail le lien entre le microbiome intestinal et le cancer, y compris son rôle en immunothérapie. Il existe de nombreuses hypothèses sur la façon dont la dysbiose peut affecter la tumorigenèse et la croissance tumorale (tableau 2) (7) qui peuvent maintenant être comprises plus en détail par le séquençage à haut débit.

Cancer

Exemples de mécanismes proposés

  • La production d'acides biliaires secondaires peut affecter la fonction immunitaire et influencer la croissance tumorale
  • Dommages à l'ADN induits par les acides biliaires secondaires
  • Induction de l'état inflammatoire chronique
  • Effets génotoxiques directs sur la muqueuse gastrique
  • Niveaux modifiés d'œstrogènes circulants
  • État inflammatoire chronique induit par les toxines
  • Rupture de la barrière muqueuse normale
  • Augmente la production locale d'espèces réactives de l'oxygène
  • Induction de l'activité transcriptionnelle oncogène
  • Cycle d'immunité contre le cancer altéré

Tableau 2. Exemples de mécanismes proposés pour la tumorigenèse et/ou la croissance tumorale à travers les types de cancer dus à la dysbiose (adapté de Réf 7)

Le microbiome intestinal a en fait une relation intégrale avec le système immunitaire inné et adaptatif d'un individu. Le tissu lymphoïde associé à l'intestin représente la plus grande composante du système immunitaire et influence la réponse immunitaire chez un individu (8). Ainsi, la relation mutualiste avec le microbiome intestinal est essentielle, pour permettre la tolérance de la flore normale et permettre au système immunitaire de reconnaître les agents pathogènes qui menacent la santé d'une personne.

Compte tenu de son influence sur l'immunité, le microbiome intestinal peut avoir un impact sur la réponse et la toxicité à diverses immunothérapies. De nombreuses études ont maintenant démontré que le microbiome intestinal peut moduler la réponse au blocage des points de contrôle immunitaire (6). La maladie du greffon contre l'hôte (GVHD) se produit lorsque les cellules du donneur, telles que les cellules T transplantées pour lutter contre la leucémie, commencent à attaquer les cellules saines du corps de l'individu, entraînant un taux de mortalité élevé. Les différences de composition dans le microbiome intestinal ont été associées à des taux de développement différents de la GVHD (6). Les progrès du NGS ont aidé à comprendre les composants spécifiques du microbiome en relation avec la GVHD. Par exemple, les personnes ayant un niveau élevé de Blautie avait une mortalité réduite due à la GVHD et ce microbe peut être bénéfique pour minimiser la toxicité de ce type de thérapie (9).


Classification des micro-organismes par température de croissance

Les bactéries peuvent être classées sur la base de la structure cellulaire, du métabolisme ou des différences dans les composants cellulaires.

Objectifs d'apprentissage

Décrire comment les bactéries peuvent être classées sur la base de la structure cellulaire, du métabolisme cellulaire ou des différences dans les composants cellulaires tels que l'ADN

Points clés à retenir

Points clés

  • Un mésophile est un organisme qui se développe le mieux à une température modérée, ni trop chaude ni trop froide, généralement entre 20 et 45 °C (68 et 113 °F). Le terme s'applique principalement aux micro-organismes.
  • Toutes les bactéries ont leur propre environnement environnemental optimal et des températures dans lesquelles elles se développent le plus.
  • Les thermophiles contiennent des enzymes qui peuvent fonctionner à haute température. Certaines de ces enzymes sont utilisées en biologie moléculaire (par exemple, les ADN polymérases thermostables pour la PCR) et dans les agents de lavage.

Mots clés

  • mésophile: Un organisme, en particulier un micro-organisme, qui vit et se développe à des températures modérées.
  • thermophile: Un organisme qui vit et se développe à des températures relativement élevées une forme d'extrêmophile dont beaucoup font partie des Archaea.

La classification cherche à décrire la diversité des espèces bactériennes en nommant et en regroupant les organismes en fonction des similitudes.Les bactéries peuvent être classées sur la base de la structure cellulaire, du métabolisme cellulaire ou des différences dans les composants cellulaires tels que l'ADN, les acides gras, les pigments, les antigènes et les quinones.

Les bactéries peuvent être classées selon leur température de croissance optimale. Voici les cinq classifications :

  • Hyperthermophile (60 degrés C et plus)
  • Thermophile (croissance optimale entre 45 et 122 degrés)
  • Mésophile (20 et 45 degrés C)
  • Psychrotrophes (survivront à 0 degrés C, mais préfèrent la température mésophile
  • Psychrophiles (-15 et 10 degrés C ou moins)

Methanopyrus kandleri

Methanopyrus kandleri peut survivre et se reproduire à 122 °C.

Un mésophile est un organisme qui se développe mieux à une température modérée, ni trop chaude ni trop froide, généralement entre 20 et 45 °C (68 et 113 °F). Le terme est principalement appliqué aux micro-organismes. Les habitats de ces organismes comprennent notamment le fromage, le yaourt et les organismes mésophiles sont souvent inclus dans le processus de fabrication de la bière et du vin. Les organismes qui préfèrent les environnements froids sont appelés psychrophiles, ceux qui préfèrent des températures plus chaudes sont appelés thermophiles et ceux qui prospèrent dans des environnements extrêmement chauds sont hyperthermophiles. Toutes les bactéries ont leur propre environnement environnemental optimal et des températures dans lesquelles elles se développent le plus. Un thermophile est un organisme - un type d'extrêmophile - qui se développe à des températures relativement élevées, entre 45 et 122 °C (113 et 252 °F). On pense que les eubactéries thermophiles ont été parmi les premières bactéries. Les thermophiles se trouvent dans diverses régions de la Terre chauffées par géothermie, telles que les sources chaudes comme celles du parc national de Yellowstone. et les sources hydrothermales des grands fonds, ainsi que les matières végétales en décomposition, telles que les tourbières et le compost. Comme condition préalable à leur survie, les thermophiles contiennent des enzymes qui peuvent fonctionner à des températures élevées. Certaines de ces enzymes sont utilisées en biologie moléculaire (par exemple, les ADN polymérases thermostables pour la PCR) et dans les agents de lavage.


Planter des bleuets

Min. distance
entre les rangées
(pi.)
Entre
plantes (pi.)
Rendement annuel
par plante (lb)
ans. de la plantation
à la première récolte
Un V. vie
envergure
(ans)
Bleuets (Plantez plus d'une variété pour un rendement plus élevé) 6 5 6-8 3-4 20-30

Quand planter des bleuets

Lorsque votre commande arrive, déballez les paquets et inspectez les plantes. Les racines doivent être humides et avoir un aspect frais et brillant. Des racines ratatinées indiquent que les plantes ont été laissées geler ou se dessécher pendant le stockage ou le transport. De telles plantes survivent rarement. Les racines des plantes doivent être maintenues humides et à l'abri du gel en tout temps. Plantez dès que le sol peut être travaillé au printemps ou un mois avant les premières gelées d'automne (mi à fin septembre). Placez les plantes à la même profondeur qu'elles ont été plantées dans la pépinière. Faites le trou de plantation 2-3 fois la largeur de la motte afin que les racines puissent s'étaler. Gardez les jeunes plantes bien arrosées. Les myrtilles, en particulier, ne toléreront pas le stress hydrique.

Où planter des bleuets

Les bleuets préfèrent généralement le plein soleil mais peuvent tolérer un peu d'ombre. Le climat du Maryland devenant plus chaud, un peu d'ombre l'après-midi peut s'avérer bénéfique.
Essayez d'éviter les sites venteux et secs. Les plants de bleuets sains et matures tolèrent généralement des températures très froides, bien qu'il existe une certaine variation entre les cultivars. Les blessures hivernales sont plus susceptibles de se produire lorsqu'une période d'hiver doux est suivie d'un froid intense. La plupart des variétés nécessitent 500-750 heures de refroidissement en dessous de 45°F. Dans le Maryland, cette exigence est généralement remplie au plus tard début février. Une fois les besoins de refroidissement satisfaits, la plante perd sa dormance et, par conséquent, sa résistance au froid, la rendant de plus en plus sensible aux dommages causés par le froid.

Préparer le sol pour les bleuets

  • Les bleuets appartiennent à la famille des bruyères et prospèrent dans les sols acides (pH 4,3 - 5,3) riches en matière organique. L'année précédant la plantation, vous devez augmenter la matière organique du sol en incorporant du fumier ou des cultures de couverture, puis tester et modifier le pH de votre sol selon les recommandations du laboratoire de sol. Il est probable que le pH du sol soit supérieur à 5,5, nécessitant l'ajout de soufre.
  • Il faut un certain temps pour que le soufre abaisse le pH du sol, c'est pourquoi ces matériaux doivent être ajoutés à l'automne avant la plantation. Le soufre ne se déplace pas facilement dans le sol, de sorte que les applications de soufre en surface après la mise en place des plantes ne sont pas très efficaces pour abaisser le pH. Le soufre doit être incorporé dans le sol de 6 à 8 pouces de profondeur.
  • Des bactéries spéciales dans le sol transforment le soufre ajouté, libérant des ions hydrogène qui abaissent le pH du sol. Ces bactéries sont plus efficaces à des niveaux de pH du sol inférieurs à 6,0. Par conséquent, il est important d'ajouter à la fois du soufre ET du sulfate de fer lorsque le pH du sol est supérieur à 6,0. Le soufre seul est suffisant si le pH du sol est inférieur à 6,0. Veuillez vous reporter au tableau ci-dessous.
  • Un pH du sol trop bas peut entraîner une toxicité au manganèse ou à l'aluminium. N'essayez jamais d'abaisser le pH avec du sulfate d'aluminium. À mesure que le pH diminue, l'aluminium devient plus disponible et peut être absorbé par les racines des plantes à des niveaux toxiques. Un pH élevé entraîne l'indisponibilité de certains nutriments, comme le fer, ce qui entraîne une chlorose des feuilles (jaunissement ou blanchissement des feuilles entre les nervures).
  • Au moment de la plantation, modifiez l'ensemble du site de plantation, et non les trous de plantation individuels, avec du compost ou du compost et de la mousse de tourbe, pour améliorer la capacité de rétention d'eau. Le milieu de culture final doit contenir au moins 1/3 de matière organique (en volume) au moment de la plantation. Dans de nombreux cas, les plants de bleuets bien entretenus poussent et produisent bien lorsqu'ils sont cultivés dans des sols riches en matière organique avec un pH du sol supérieur à 5,3.

Nombre approximatif de livres de soufre et de sulfate de fer nécessaires par 100 pieds carrés de sol pour réduire le pH du sol à 4,5 pour les bleuets

Test de sol
pH
Sol sableux
Soufre*
Sol sableux
Sulfate de fer
Limon ou
Sol argileux
Soufre*
Limon ou
Sol argileux
Sulfate de fer
7.5 1.2 4.2 3.5 12.2
7.0 1.0 3.5 2.9 10.0
6.5 .75 2.6 2.3 8.0
6.0** 1.2 ---- 3.5 ----
5.5** .8 ---- 2.4 ----
5.0** .4 ---- 1.2 ----

*fleurs de soufre ou de soufre élémentaire.
**Il n'est pas nécessaire d'utiliser du sulfate de fer si le pH du sol est inférieur à 6,0. Soufre
suffira à lui seul pour abaisser le pH.


5.1 Parasites eucaryotes unicellulaires

En rentrant de l'école, Sarah, 7 ans, se plaint qu'une grosse tache sur son bras n'arrête pas les démangeaisons. Elle n'arrête pas de le gratter, attirant l'attention de ses parents. En regardant de plus près, ils voient qu'il s'agit d'une tache circulaire rouge avec un bord rouge surélevé (Figure 5.2). Le lendemain, les parents de Sarah l'emmènent chez leur médecin, qui examine l'endroit à l'aide d'une lampe de Wood. Une lampe de Wood produit une lumière ultraviolette qui provoque la fluorescence de la tache sur le bras de Sarah, ce qui confirme ce que le médecin soupçonnait déjà : Sarah a un cas de teigne.

La mère de Sarah est mortifiée d'apprendre que sa fille a un « ver ». Comment cela pourrait-il arriver?

Passez à la prochaine case Clinical Focus.

Les microbes eucaryotes sont un groupe extraordinairement diversifié, comprenant des espèces avec un large éventail de cycles de vie, de spécialisations morphologiques et de besoins nutritionnels. Bien que davantage de maladies soient causées par des virus et des bactéries que par des eucaryotes microscopiques, ces eucaryotes sont responsables de certaines maladies d'une grande importance pour la santé publique. Par exemple, la maladie à protozoaires du paludisme était responsable de 584 000 décès dans le monde (principalement des enfants en Afrique) en 2013, selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS). Le parasite protiste Giardia provoque une maladie diarrhéique (giardiase) qui se transmet facilement par l'eau contaminée. Aux Etats-Unis, Giardia est le parasite intestinal humain le plus courant (Figure 5.3). Bien que cela puisse paraître surprenant, les vers parasites sont inclus dans l'étude de la microbiologie car l'identification dépend de l'observation de vers ou d'œufs adultes microscopiques. Même dans les pays développés, ces vers sont d'importants parasites de l'homme et des animaux domestiques. Il y a moins d'agents pathogènes fongiques, mais ce sont également des causes importantes de maladie. D'autre part, les champignons ont joué un rôle important dans la production de substances antimicrobiennes telles que la pénicilline. Dans ce chapitre, nous examinerons les caractéristiques des protistes, des vers et des champignons tout en considérant leurs rôles dans l'apparition de maladies.

Caractéristiques des protistes

Le mot protiste est un terme historique qui est maintenant utilisé de manière informelle pour désigner un groupe diversifié d'organismes eucaryotes microscopiques. Il n'est pas considéré comme un terme taxonomique formel car les organismes qu'il décrit n'ont pas une origine évolutive commune. Historiquement, les protistes étaient regroupés de manière informelle en protozoaires « de type animal », les algues « de type végétal » et les protistes « de type champignon » tels que les moisissures aquatiques. Ces trois groupes de protistes diffèrent grandement par leurs caractéristiques de base. Par exemple, les algues sont des organismes photosynthétiques qui peuvent être unicellulaires ou multicellulaires. Les protozoaires, quant à eux, sont des organismes mobiles non photosynthétiques qui sont toujours unicellulaires. D'autres termes informels peuvent également être utilisés pour décrire divers groupes de protistes. Par exemple, les micro-organismes qui dérivent ou flottent dans l'eau, déplacés par les courants, sont appelés plancton. Les types de plancton comprennent le zooplancton, qui est mobile et non photosynthétique, et le phytoplancton, qui est photosynthétique.

Les protozoaires habitent une grande variété d'habitats, à la fois aquatiques et terrestres. Beaucoup vivent librement, tandis que d'autres sont parasites, effectuant un cycle de vie au sein d'un ou plusieurs hôtes et pouvant causer des maladies. Il existe également des symbiotes bénéfiques qui fournissent des services métaboliques à leurs hôtes. Au cours de la partie alimentation et croissance de leur cycle de vie, ils sont appelés trophozoïtes s ceux-ci se nourrissent de petites sources de nourriture particulaires telles que des bactéries. Alors que certains types de protozoaires existent exclusivement sous la forme trophozoïte, d'autres peuvent passer du stade trophozoïte à un stade de kyste encapsulé lorsque les conditions environnementales sont trop difficiles pour le trophozoïte. Un kyste est une cellule avec une paroi protectrice, et le processus par lequel un trophozoïte devient un kyste est appelé enkystement. Lorsque les conditions deviennent plus favorables, ces kystes sont déclenchés par des signaux environnementaux pour redevenir actifs par exkystement.

Un genre de protozoaire capable d'enkystement est Eimeria , qui comprend certains agents pathogènes humains et animaux. La figure 5.4 illustre le cycle de vie de Eimeria.

Les protozoaires ont une variété de mécanismes de reproduction. Certains protozoaires se reproduisent de manière asexuée et d'autres se reproduisent sexuellement, d'autres encore sont capables de reproduction sexuée et asexuée. Chez les protozoaires, la reproduction asexuée se produit par fission binaire, bourgeonnement ou schizogonie. Dans la schizogonie, le noyau d'une cellule se divise plusieurs fois avant que la cellule ne se divise en plusieurs cellules plus petites. Les produits de la schizogonie sont appelés mérozoïtes et ils sont stockés dans des structures appelées schizontes. Les protozoaires peuvent également se reproduire sexuellement, ce qui augmente la diversité génétique et peut conduire à des cycles de vie complexes. Les protozoaires peuvent produire des gamètes haploïdes qui fusionnent par syngamie. Cependant, ils peuvent également échanger du matériel génétique en se joignant pour échanger de l'ADN dans un processus appelé conjugaison. Il s'agit d'un processus différent de la conjugaison qui se produit chez les bactéries. Le terme conjugaison protiste fait référence à une véritable forme de reproduction sexuée eucaryote entre deux cellules de types d'accouplement différents. On le trouve dans les ciliés s, un groupe de protozoaires, et est décrit plus loin dans cette sous-section.

Tous les protozoaires ont une membrane plasmique, ou plasmalemme, et certains ont des bandes de protéines juste à l'intérieur de la membrane qui ajoutent de la rigidité, formant une structure appelée pellicule. Certains protistes, y compris les protozoaires, ont des couches distinctes de cytoplasme sous la membrane. Chez ces protistes, la couche de gel externe (avec des microfilaments d'actine) est appelée l'ectoplasme. À l'intérieur de cette couche se trouve une région sol (liquide) du cytoplasme appelée endoplasme. Ces structures contribuent aux formes cellulaires complexes de certains protozoaires, tandis que d'autres (comme les amibes) ont des formes plus flexibles (figure 5.5).

Différents groupes de protozoaires ont des structures d'alimentation spécialisées. Ils peuvent avoir une structure spécialisée pour absorber les aliments par phagocytose, appelée cytostome, et une structure spécialisée pour l'exocytose des déchets appelée cytoprocte. Les sillons buccaux menant aux cytostomes sont bordés de cils ressemblant à des cheveux pour balayer les particules de nourriture. Les protozoaires sont hétérotrophes. Les protozoaires holozoïques ingèrent des particules d'aliments entières par phagocytose. Les formes saprozoïques ingèrent de petites molécules alimentaires solubles.

De nombreux protistes ont des flagelles en forme de fouet ou des cils en forme de cheveux constitués de microtubules qui peuvent être utilisés pour la locomotion (Figure 5.5). D'autres protistes utilisent des extensions cytoplasmiques connues sous le nom de pseudopodes ("faux pieds") pour attacher la cellule à une surface, ils permettent ensuite au cytoplasme de s'écouler dans l'extension, se déplaçant ainsi vers l'avant.

Les protozoaires ont une variété d'organites uniques et manquent parfois d'organites trouvées dans d'autres cellules. Certains ont une vacuole contractile s, organites qui peuvent être utilisés pour déplacer l'eau hors de la cellule pour la régulation osmotique (bilan salin et hydrique) (Figure 5.5). Les mitochondries peuvent être absentes chez les parasites ou modifiées en kinétoplastides (mitochondries modifiées) ou en hydrogénosomes (voir Caractéristiques uniques des cellules procaryotes pour plus de détails sur ces structures).

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  • Quelle est la séquence des événements de la reproduction par schizogonie et comment s'appellent les cellules produites ?

Taxonomie des protistes

Les protistes sont un groupe polyphylétique, ce qui signifie qu'ils n'ont pas d'origine évolutive commune. Étant donné que la taxonomie actuelle est basée sur l'histoire de l'évolution (telle que déterminée par la biochimie, la morphologie et la génétique), les protistes sont dispersés dans de nombreux groupes taxonomiques différents au sein du domaine Eukarya. Eukarya est actuellement divisé en six supergroupes qui sont ensuite divisés en sous-groupes, comme illustré dans (Figure 5.6). Dans cette section, nous nous intéresserons principalement aux supergroupes Amoebozoa, Excavata et Chromalveolata. Ces supergroupes comprennent de nombreux protozoaires d'importance clinique. Les supergroupes Opisthokonta et Rhizaria comprennent également quelques protozoaires, mais peu d'importance clinique. En plus des protozoaires, Opisthokonta comprend également des animaux et des champignons, dont nous parlerons de certains dans Helminths and Fungi parasitaires. Quelques exemples d'Archaeplastida seront discutés dans Algae. Les figures 5.7 et 5.8 résument les caractéristiques de chaque supergroupe et sous-groupe et énumèrent les représentants de chacun.

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Amibozoa

Le supergroupe Amoebozoa comprend des protozoaires qui utilisent le mouvement amiboïde. Les microfilaments d'actine produisent des pseudopodes, dans lesquels le reste du protoplasme s'écoule, déplaçant ainsi l'organisme. Le genre Entamoeba comprend les espèces commensales ou parasites, y compris les espèces médicalement importantes E. histolytica, qui est transmise par des kystes dans les selles et est la principale cause de dysenterie amibienne . Un autre membre de ce groupe qui est pathogène pour l'homme est Acanthamoeba , ce qui peut provoquer une kératite (inflammation de la cornée) et la cécité. La fameuse "amibe mangeuse de cerveau" Naegleria fowleri , est considéré comme un parent éloigné des Amoebozoa et est classé dans le phylum Percolozoa.

Les eumycétozoaires sont un groupe inhabituel d'organismes appelés moisissures visqueuses , qui ont été précédemment classés comme animaux, champignons et plantes (figure 5.9). Les moisissures visqueuses peuvent être divisées en deux types : les moisissures visqueuses cellulaires et les moisissures visqueuses plasmodiales. Les moisissures visqueuses cellulaires existent sous forme de cellules amiboïdes individuelles qui s'agrègent périodiquement en une limace mobile. L'agrégat forme alors un corps de fructification qui produit des spores haploïdes. Les moisissures visqueuses plasmodiales existent sous forme de grandes cellules amiboïdes multinucléées qui forment des tiges reproductrices pour produire des spores qui se divisent en gamètes. Une moisissure visqueuse cellulaire, Dictyostelium discoïde , a été un organisme d'étude important pour comprendre la différenciation cellulaire, car il a des stades de vie à la fois unicellulaires et multicellulaires, les cellules présentant un certain degré de différenciation sous la forme multicellulaire. Les figures 5.10 et 5.11 illustrent respectivement les cycles de vie des moisissures visqueuses cellulaires et plasmodiales.

Chromalveolata

Le supergroupe Chromalveolata est uni par des origines similaires des plastes de ses membres et comprend les apicomplexes, les ciliés, les diatomées et les dinoflagellés, entre autres groupes (nous couvrirons les diatomées et les dinoflagellés dans les algues). Les apicomplexes sont des parasites intra- ou extracellulaires qui ont un complexe apical à une extrémité de la cellule. Le complexe apical est une concentration d'organites, de vacuoles et de microtubules qui permet au parasite de pénétrer dans les cellules hôtes (Figure 5.12). Les apicomplexes ont des cycles de vie complexes qui incluent un sporozoïte infectieux qui subit une schizogonie pour produire de nombreux mérozoïtes (voir l'exemple de la figure 5.4). Beaucoup sont capables d'infecter une variété de cellules animales, des insectes au bétail en passant par les humains, et leurs cycles de vie dépendent souvent de la transmission entre plusieurs hôtes. Le genre Plasmodium est un exemple de ce groupe.

D'autres apicomplexes sont également importants sur le plan médical. Cryptosporidium parvum provoque des symptômes intestinaux et peut provoquer une diarrhée épidémique lorsque les kystes contaminent l'eau potable. Theileria (Babesia) microti , transmis par la tique Ixodes scapulaires , provoque une fièvre récurrente qui peut être mortelle et devient un agent pathogène commun transmissible par transfusion aux États-Unis (Theileria et Babesia sont des genres étroitement liés et il y a un débat sur la meilleure classification). Pour terminer, Toxoplasma gondii provoque la toxoplasmose et peut être transmis par les excréments de chat, les fruits et légumes non lavés ou par la viande insuffisamment cuite. Étant donné que la toxoplasmose peut être associée à de graves malformations congénitales, les femmes enceintes doivent être conscientes de ce risque et faire preuve de prudence si elles sont exposées aux excréments de chats potentiellement infectés. Une enquête nationale a révélé que la fréquence des personnes ayant des anticorps contre la toxoplasmose (et donc qui ont vraisemblablement une infection latente actuelle) aux États-Unis était de 11%. Les taux sont beaucoup plus élevés dans d'autres pays, y compris certains pays développés. 3 Il existe également des preuves et de nombreuses théories selon lesquelles le parasite peut être responsable de la modification du comportement et des traits de personnalité des humains infectés. 4

Les ciliés (Ciliaphora), également au sein des Chromalveolata, constituent un groupe important et très diversifié caractérisé par la présence de cils à la surface de leurs cellules. Bien que les cils puissent être utilisés pour la locomotion, ils sont également souvent utilisés pour l'alimentation, et certaines formes sont immobiles. Balantidium coli (Figure 5.13) est le seul cilié parasite qui affecte les humains en provoquant des maladies intestinales, bien qu'il provoque rarement des problèmes médicaux graves, sauf chez les immunodéprimés (ceux dont le système immunitaire est affaibli). Le cilié le plus familier est peut-être Paramécie , un organisme mobile avec un cytostome et un cytoproct clairement visibles qui est souvent étudié dans les laboratoires de biologie (Figure 5.14). Un autre cilié, Stentor , est sessile et utilise ses cils pour se nourrir (Figure 5.15). Généralement, ces organismes possèdent un micronoyau diploïde, somatique et utilisé pour la reproduction sexuée par conjugaison.Ils ont également un macronoyau dérivé du micronoyau, le macronoyau devient polyploïde (ensembles multiples de chromosomes en double) et possède un ensemble réduit de gènes métaboliques.

Les ciliés sont capables de se reproduire par conjugaison, dans laquelle deux cellules s'attachent l'une à l'autre. Dans chaque cellule, les micronoyaux diploïdes subissent une méiose, produisant chacun huit noyaux haploïdes. Ensuite, tous les micronoyaux haploïdes et le macronoyau sauf un se désintègrent, le micronoyau (haploïde) restant subit une mitose. Les deux cellules échangent ensuite chacune un micronoyau, qui fusionne avec le micronoyau restant pour former un nouveau micronoyau diploïde génétiquement différent. Le micronoyau diploïde subit deux divisions mitotiques, de sorte que chaque cellule a quatre micronoyaux, et deux des quatre se combinent pour former un nouveau macronoyau. Les chromosomes du macronoyau se répliquent ensuite à plusieurs reprises, le macronoyau atteint son état polyploïde et les deux cellules se séparent. Les deux cellules sont maintenant génétiquement différentes l'une de l'autre et de leurs versions précédentes.

Les Öomycètes ont des similitudes avec les champignons et ont déjà été classés avec eux. On les appelle aussi moules à eau. Cependant, ils diffèrent des champignons de plusieurs manières importantes. Les Öomycètes ont des parois cellulaires en cellulose (contrairement aux parois cellulaires chitineuses des champignons) et ils sont généralement diploïdes, alors que les formes de vie dominantes des champignons sont typiquement haploïdes. Phytophtora , l'agent phytopathogène trouvé dans le sol qui a causé la famine de la pomme de terre en Irlande , est classé dans ce groupe (Figure 5.16).

Lien vers l'apprentissage

Découvrez les procédures de détection de la présence d'un apicomplexe dans un réseau public d'approvisionnement en eau, sur ce site.

Cette vidéo montre l'alimentation de Stentor.

Excavata

Le troisième et dernier supergroupe à considérer dans cette section est celui des Excavata, qui comprend des eucaryotes primitifs et de nombreux parasites aux capacités métaboliques limitées. Ces organismes ont des formes et des structures cellulaires complexes, comprenant souvent une dépression à la surface de la cellule appelée excavation. Le groupe Excavata comprend les sous-groupes Fornicata, Parabasalia et Euglenozoa. Les Fornicata manquent de mitochondries mais ont des flagelles. Ce groupe comprend Giardia lamblia (aussi connu sous le nom G. intestinalis ou alors G. duodenalis), un agent pathogène répandu qui provoque des maladies diarrhéiques et peut se propager par les kystes des matières fécales qui contaminent les réserves d'eau (Figure 5.3). Les parabasales sont des endosymbiotes animaux fréquents, ils vivent dans les intestins d'animaux comme les termites et les cafards. Ils ont des corps basaux et des mitochondries modifiées (kinétoplastides). Ils ont également une grande structure cellulaire complexe avec une membrane ondulante et ont souvent de nombreux flagelles. Les trichomonas (un sous-groupe des Parabasalia) comprennent des agents pathogènes tels que Trichomonas vaginalis , qui provoque la trichomonase humaine, une maladie sexuellement transmissible . La trichomonase ne provoque souvent pas de symptômes chez les hommes, mais les hommes sont capables de transmettre l'infection. Chez les femmes, il provoque une gêne et des pertes vaginales et peut entraîner des complications pendant la grossesse s'il n'est pas traité.

Les Euglenozoa sont communs dans l'environnement et comprennent des espèces photosynthétiques et non photosynthétiques. Membres du genre Euglena ne sont généralement pas pathogènes. Leurs cellules ont deux flagelles, une pellicule , un stigmate (pot oculaire) pour détecter la lumière et des chloroplastes pour la photosynthèse (Figure 5.17). La pellicule de Euglena est constitué d'une série de bandes de protéines entourant la cellule, il soutient la membrane cellulaire et donne la forme de la cellule.

Les Euglenozoa comprennent également les trypanosomes, qui sont des agents pathogènes parasitaires. Le genre Trypanosome comprend T. brucei, qui cause la trypanosomose africaine (maladie du sommeil africaine et T. cruzi, qui cause la trypanosomose américaine ( maladie de Chagas ). Ces maladies tropicales se propagent par les piqûres d'insectes. Dans la maladie du sommeil africaine, T. brucei colonise le sang et le cerveau après avoir été transmis par la piqûre d'une mouche tsé-tsé (Glossine spp.) (Figure 5.18). Les premiers symptômes comprennent la confusion, la difficulté à dormir et le manque de coordination. Non traitée, elle est mortelle.

La maladie de Chagas est originaire et est la plus courante en Amérique latine. La maladie est transmise par Triatome spp., des insectes souvent appelés « punaises du baiser » et affecte soit le tissu cardiaque, soit les tissus du système digestif. Les cas non traités peuvent éventuellement conduire à une insuffisance cardiaque ou à des troubles digestifs ou neurologiques importants.

Le genre Leishmanie comprend les trypanosomes qui causent des maladies cutanées défigurantes et parfois aussi des maladies systémiques.

Regard sur l'éthique

Parasites négligés

Les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) sont chargés d'identifier les priorités de santé publique aux États-Unis et d'élaborer des stratégies pour traiter les domaines de préoccupation. Dans le cadre de ce mandat, le CDC a officiellement identifié cinq maladies parasitaires qu'il considère comme négligées (c'est-à-dire pas suffisamment étudiées). Ces infections parasitaires négligées (IPN) comprennent la toxoplasmose, la maladie de Chagas, la toxocarose (une infection à nématode transmise principalement par les chiens infectés), la cysticercose (une maladie causée par une infection tissulaire du ténia Taenia solium ), et la trichomonase (une maladie sexuellement transmissible causée par le parabasalide Trichomonas vaginalis ).

La décision de nommer ces maladies spécifiques comme NPI signifie que le CDC consacrera des ressources à l'amélioration de la sensibilisation et au développement de meilleurs tests de diagnostic et de traitement grâce à des études des données disponibles. Le CDC peut également donner des conseils sur le traitement de ces maladies et aider à la distribution de médicaments qui pourraient autrement être difficiles à obtenir. 5

Bien sûr, le CDC ne dispose pas de ressources illimitées, donc en donnant la priorité à ces cinq maladies, il en dépriorise effectivement d'autres. Étant donné que de nombreux Américains n'ont jamais entendu parler de bon nombre de ces NPI, il est juste de se demander quels critères les CDC ont utilisés pour hiérarchiser les maladies. Selon le CDC, les facteurs pris en compte étaient le nombre de personnes infectées, la gravité de la maladie et la possibilité de traiter ou de prévenir la maladie. Bien que plusieurs de ces NPI puissent sembler plus courants en dehors des États-Unis, le CDC soutient que de nombreux cas aux États-Unis ne sont probablement ni diagnostiqués ni traités, car on sait si peu de choses sur ces maladies. 6

Quels critères doivent être pris en compte lors de la priorisation des maladies à des fins de financement ou de recherche ? Ceux identifiés par le CDC sont-ils raisonnables ? Quels autres facteurs pourraient être pris en compte? Les agences gouvernementales comme le CDC devraient-elles avoir les mêmes critères que les laboratoires de recherche pharmaceutique privés ? Quelles sont les implications éthiques de la dépriorisation d'autres maladies parasitaires potentiellement négligées telles que la leishmaniose ?


Voir la vidéo: Microbes dans notre environnement et microbiote (Octobre 2021).