Microbiologie
Biologie des procaryotes et de leurs virus
2e édition
Luciano Paolozzi
Jean-Claude Liébart
Dunod
Liste des auteurs
V
Préface
VII
Avant-propos de la 2e édition
XXI
Avant-propos
XXIII
Liste des relecteursXXIX
Remerciements
XXXI
Partie I
Les Procaryotes Diversité et rôles
Chapitre 1. Structures cellulaires
3
1.1 Caractères généraux et diversifications cellulaires4
1.2 Morphologies, dimensions : leurs contrôles5
1.2.1 Morphologies5
1.2.2 Dimensions6
1.2.3 Adaptabilité morphologique à l'environnement7
1.3 Structures et organisation cellulaires7
1.3.1 L'enveloppe, interface de la cellule avec son environnement8
1.3.2 Structures péri-et trans-enveloppes16
1.3.3 Éléments du cytoplasme20
1.4 Transport et assemblage des protéines26
1.4.1 Systèmes de transport Sec-indépendants (fig. 1.1 3)26
1.4.2 Systèmes de transport Sec-dépendants (fig. 1.1 4)28
1.4.3 Systèmes de transport chez les Bactéries à Cram+29
Chapitre 2. Métabolisme et écologie des procaryotes
31
2.1 Métabolisme énergétique32
2.1.1 Chimio-organotrophie33
2.1.2 Chimio-lithotrophie37
2.1.3 Phototrophie37
2.2 Biosynthèses37
2.2.1 Utilisation du CO2 -autotrophie37
2.2.2 Utilisation de composés réduits (C1, C2 ou plus) - hétérotrophie, méthylotrophie38
2.3 Écologie microbienne38
2.3.1 Interactions organismes-biotope39
2.3.2 Interactions biotiques39
2.3.3 Cycles biogéochimiques41
2.4 Métabolisme et écologie des Archées45
2.4.1 Métabolisme énergétique et autotrophie45
2.4.2 Archées et cycle de l'azote47
2.5 Procaryotes extrêmophiles47
2.5.1 Halophiles extrêmes48
2.5.2 Thermophiles et hyperthermophiles49
2.5.3 Acidophiles et alcalinophiles extrêmes50
2.5.4 Psychrophiles51
2.5.5 Barophiles51
2.5.6 Résistance aux radiations52
Chapitre 3. Taxonomie, phylogénie, évolution
53
3.1 Origine de la vie - Premières étapes de l'évolution du vivant53
3.1.1 Premières traces fossiles d'êtres vivants et Terre primitive53
3.1.2 Ordre d'apparition des macromolécules informationnelles56
3.1.3 Premiers virus et rôle possible dans l'évolution des génomes57
3.1.4 La forme cellulaire aux origines de la vie ?58
3.2 Classifications des organismes vivants59
3.2.1 Classification phénotypique59
3.2.2 Classification et phylogénie moléculaire60
3.3 Arbre universel du vivant63
3.3.1 Premiers arbres universels phénotypiques63
3.3.2 Travaux de Carl Woese : du phénotype au génotype64
3.3.3 Grands phylums des trois domaines66
3.3.4 Arbre universel et relation procaryote/eucaryote67
3.3.5 Place des virus dans l'arbre universel69
3.3.6 Arbres ou réseaux70
3.3.7 Description des grands phylums procaryotes71
3.4 Identification des espèces procaryotes72
3.4.1 Notion d'espèce chez les procaryotes72
3.4.2 Identification phénotypique74
3.4.3 Identification moléculaire75
3.4.4 Spectrométrie de masse, méthode alternative77
3.4.5 Rangs taxonomiques intraspécifiques d'intérêt77
3.5 Nomenclature chez les procaryotes79
3.5.1 Généralités79
3.5.2 Validation d'une nouvelle espèce procaryote79
Chapitre 4. Croissance et homéostasie
81
4.1 « Courbe de croissance »81
4.1.1 Un outil d'étude indispensable82
4.1.2 Conditions expérimentales82
4.2 Phases de la courbe de croissance84
4.2.1 Phase exponentielle85
4.2.2 Autres phases85
4.2.3 Phase stationnaire et états de stress chez les Bactéries à Cram+87
4.3 Facteurs influant sur la croissance88
4.3.1 Facteurs physico-chimiques88
4.3.2 Facteurs biochimiques89
4.4 Homéostasie cellulaire - Application aux procaryotes91
4.4.1 Rôle de l'homéostasie dans les états de stress92
4.4.2 Adaptations aux conditions extrêmes94
Chapitre 5. Reproduction
95
5.1 Modèles de cytokinèse96
5.2 Division symétrique97
5.2.1 Aperçu global97
5.2.2 Rôle central de FtsZ99
5.2.3 De l'anneau Z à l'anneau septal101
5.2.4 Assemblage du divisome103
5.2.5 Systèmes in vitro pour l'étude de la division109
5.3 Division asymétrique110
5.4 Autres systèmes FtsZ-dépendants111
5.4.1 Cyanobactéries : division par scissions multiples111
5.4.2 Streptomycètes : croissance sans division112
5.4.3 Division par gemmation113
5.4.4 Bdellovibrio bactériovorus : divisions multiples113
5.4.5 De l'endospore à la progéniture intracellulaire114
5.5 Systèmes de division FtsZ-indépendants115
5.6 Division chez les Archées116
Partie II
Le génome : structure et reproduction
Chapitre 6. Génomique et métagénomique
119
6.1 Séquençage complet d'un génome procaryote119
6.1.1 Clonage et séquençage par la technologie Sanger120
6.1.2 Nouvelles techniques de séquençage à haut débit121
6.1.3 Assemblage des génomes124
6.1.4 Stratégies de séquençage d'un génome procaryote126
6.2 Annotation des génomes126
6.2.1 Recherche des cadres de lecture127
6.2.2 Biais dans la composition nucléotidique et l'usage des codons127
6.2.3 Recherche des fonctions codées par les gènes129
6.2.4 Recherche des gènes orthologues129
6.2.5 Polymorphisme génique (SNP)130
6.2.6 Synthénie130
6.2.7 ARN non traduits et ADN non codant130
6.3 Comparaison et diversité des génomes procaryotes131
6.3.1 Diversité de taille et nombre de gènes131
6.3.2 Diversité fonctionnelle132
6.3.3 Génomes des organites eucaryotes d'origine procaryote132
6.4 Génomique fonctionnelle133
6.4.1 Transcriptomique133
6.4.2 Protéomique136
6.4.3 Métabolomique et autres « -omiques »136
6.5 Métagénomique137
Chapitre 7. Génomes procaryotes
139
7.1 Nucléoïde139
7.1.1 Structure physique140
7.1.2 Géométries et ploïdies des génomes148
7.1.3 Organisation fine150
7.2 Éléments génétiques accessoires (EGA) 155
7.2.1 Plasmides155
7.2.2 Éléments génétiques mobiles (EGM)158
7.2.3 îles et îlots génomiques160
7.2.4 Éléments intégratifs conjugatifs (ICE)161
7.2.5 Shufflons161
7.2.6 Hérédité infectieuse intracellulaire161
7.2.7 Intégrons162
7.2.8 Les séquences CRISPR162
7.3 Génomes des Archées : similitudes et originalités163
7.3.1 Structuration du nucléoïde163
7.3.2 Organisation génétique164
Chapitre 8. Reproduction et ségrégation des chromosomes
165
8.1 Caractéristiques générales165
8.1.1 Aspects principaux du processus de réplication166
8.1.2 Notion de réplichore167
8.2 Enzymes de la réplication167
8.2.1 Hélicases167
8.2.2 Protéines de maintien des ADN simple-brin (Ssb)168
8.2.3 Primases169
8.2.4 ADN polymérases169
8.3 Initiation de la réplication 172
8.3.1 Origine de réplication, ori172
8.3.2 Protéine initiatrice DnaA173
8.3.3 Initiation à ori - Les amorces ARN175
8.4 Élongation 175
8.4.1 Synthèse d'ADN à partir des amorces ARN175
8.4.2 Processivité de l'ADN polymérase Pol III176
8.4.3 Terminaison de la réplication177
8.5 Contrôle des fréquences d'initiation 178
8.5.1 Système modèle E. coli178
8.5.2 Régulation de l'initiation chez d'autres Bactéries179
8.6 Aspects mécaniques de la réplication 179
8.6.1 Modèle trombone ; coordination de synthèse dans un réplichore179
8.6.2 Configuration des réplisomes au cours de la réplication180
8.7 Ségrégation des chromosomes181
8.7.1 Migration des origines181
8.7.2 Migration de la masse du chromosome181
8.7.3 Ségrégation des chromosomes182
8.8 Réplication des chromosomes linéaires182
8.8.1 Protection des extrémités182
8.8.2 Stratégies de réplication182
8.9 Réplication des éléments génétiques accessoires183
8.9.1 Réplication de type 0 de plasmides circulaires184
8.9.2 Réplication de type déplacement de chaîne : le plasmide RSF1010185
8.9.3 Réplication mixte 0 et cercle roulant185
8.9.4 Autres modes de réplication186
8.10 Réplication chez les Archées - Particularités186
Chapitre 9. Recombinaison génétique
189
9.1 Recombinaison homologue- Les modèles189
9.2 Recombinaison homologue chez les procaryotes193
9.2.1 Modèle E. coli - Approche génétique193
9.2.2 Voie recA194
9.2.3 Voies de recombinaison homologue alternatives196
9.3 Recombinaison non homologue197
9.3.1 Recombinaison site-spécifique197
9.3.2 Transposition et transposases200
9.3.4 Jonction d'extrémités d'ADN non homologues (NHEJ)204
9.4 Recombinaison chez les Archées - Particularités205
Partie III
Diversification et stabilité des génomes
Chapitre 10. Nature des mutations
209
10.1 Dénombrement et identification des mutants209
10.2 Mutations spontanées : genèse et nature210
10.2.1 Erreurs d'appariements par insertion de tautomères des bases211
10.2.2 Rôle mutagène des ADN polymérases213
10.2.3 Autres processus physiologiques à risque mutagénique214
10.3 Agents mutagènes214
10.3.1 Mutagènes endocellulaires215
10.3.2 Agents mutagènes exogènes216
10.4 Contrôle du taux de mutation spontanée218
10.5 Cènes mutateurs, adaptabilité et sélection219
10.5.1 Variants mutateurs : un avantage adaptatif ?220
10.5.2 Mutation, sélection et adaptation221
10.6 Mutagenèse adaptative226
10.6.1 Genèse de mutants dans des conditions de sélection non létales227
10.6.2 Modèles explicatifs du phénomène de réversion adaptative227
Chapitre 11. Systèmes de réparation
228
11.1 Induction de la réparation - Le système SOS228
11.2 Réparation par excision de base (BER)229
11.2.1 Clycosylases procaryotes229
11.2.2 Cibles du système BER231
11.3 Réparation par excision de nucléotide (NER)233
11.3.1 Approche génétique de l'étude de la sensibilité d'E. coli aux UV233
11.3.2 Analyse biochimique de la réaction d'excision234
11.3.3 Mécanisme d'excision des lésions chez E. coli235
11.3.4 Couplage transcription-excision chez E. coli236
11.4 Réparation des mésappariements (MMR)237
11.4.1 Sélection de mutants affectés dans le processus MMR237
11.4.2 Rôle des séquences GATC dans la reconnaissance de la lésion238
11.4.3 Protéines en jeu dans le MMR et leur rôle238
11.4.4 Reconnaissance et traitement des mésappariements240
11.4.5 Organismes dépourvus de MutH242
11.5 Déblocage des fourches de réplication242
11.5.1 Rôle de la recombinaison - Les protéines Rep et PriA243
11.5.2 Cas particulier de fourches bloquées au terminus245
11.6 Systèmes de réparation chez les Archées246
Chapitre 12. Systèmes de transfert génétique
248
12.1 Transformation249
12.1.1 État de compétence250
12.1.2 Machinerie de capture de l'ADN251
12.1.3 Liaison de l'ADN à la cellule, sa fragmentation et son transport252
12.1.4 Destin de l'ADN transformant internalisé253
12.2 Conjugaison - Le modèle E. coli254
12.2.1 Découverte254
12.2.2 Épisome autotransférable F256
12.2.3 Transfert linéaire des gènes chromosomiques258
12.2.4 Machinerie de conjugaison259
12.3 Transduction263
12.4 Agents de transfert génique (CTA)264
12.5 TCH chez les Archées264
12.6 Barrières au TCH et leur esquive265
12.6.1 Systèmes de restriction-modification de l'ADN265
12.6.2 La barrière de la recombinaison268
12.6.3 Contrôle par H-NS de l'expression d'ADN xénogénique269
12.6.4 Le système CRISPR : une immunité héréditaire contre un ADN étranger269
12.6.5 Stratégies antibarrières271
Partie IV
Stratégies d'adaptation
Chapitre 13. Expression génique, mécanismes et régulations
275
13.1 Transcription276
13.1.2 Reconnaissance du promoteur277
13.1.3 Élongation de la transcription279
13.1.4 Terminaison de la transcription279
13.2 Traduction280
13.2.1 Ribosomes281
13.2.2 ARN de transfert et aminoacyl-ARNt synthétases281
13.2.3 Démarrage de la traduction282
13.2.4 Élongation de la traduction283
13.2.5 Code génétique285
13.2.6 Terminaison de la traduction286
13.2.7 Traduction et physiologie286
13.3 Stratégies de régulation de l'expression génique287
13.3.1 Régulations du démarrage de la transcription287
13.3.2 Régulateurs locaux et régulateurs globaux ; régulon et stimulon294
13.3.3 Un cas de régulation globale : alarmones et réponse stringente295
13.3.4 Régulation de l'élongation de la transcription297
13.3.5 Régulation de la traduction300
13.3.6 Quand les ARN se font régulateurs de l'expression génique301
13.4 Expression génique et régulation chez les Archées304
13.4.1 Une machinerie de transcription de type eucaryote304
13.4.2 Différents niveaux de régulation de la transcription305
Chapitre 14. Réponses globales à l'environnement
307
14.1 Détection et signalisation de l'environnement307
14.2 Adaptation à un hôte : la pathogénicité309
14.2.1 Identification, origine et évolution des facteurs de pathogénicité309
14.2.2 Invasion de la cellule hôte : avantages pour le pathogène312
14.2.3 Signalisation environnementale ; le cas de Salmonella312
14.2.4 Évitement du système immunitaire : Listeria monocytogenes315
14.3 Adaptation à un stress nutritionnel : la compétence316
14.3.1 Compétence bactérienne317
14.3.2 Rôles nutritionnels318
14.4 Mobilité, chimiotaxie attractive OU répulsive320
14.4.1 Nage (swimming)321
14.4.2 Essaimage (swarming)326
14.4.3 Glissement (gliding) - Rétraction (twitching)327
Chapitre 1 5. Différenciation
329
15.1 Différenciation et reproduction : Caulobacter crescentus329
15.1.1 Régulation du processus de différenciation330
15.1.2 Signaux extracellulaires333
15.2 Diazotrophie et différenciation : Anabaena PCC 71 20334
15.2.1 Structure des hétérocystes334
15.2.2 Régulation de la différenciation des hétérocystes335
15.2.3 Signaux de la différenciation337
15.3 Différenciation et colonisation : Streptomyces337
15.3.1 Cycle cellulaire de Strepfomyces coelicolor338
15.3.2 Régulation de la différenciation339
15.3.3 Signaux de la différenciation341
15.4 Différenciation et sociabilisation / Myxococcus xanthus341
15.4.1 Principales étapes du cycle de développement341
15.4.2 Régulation du processus de différenciation342
15.5 Différenciation et survie : Bacillus subtilis344
15.5.1 Principales étapes du cycle de sporulation344
15.5.2 Régulation du processus de différenciation345
15.5.3 Signaux extracellulaires347
15.6 Hétérogénéité au sein des populations : la bimodalité348
Partie V
Interactions des procaryotes avec la biosphère
Chapitre 16. Virus des procaryotes
351
16.1 La virosphère et sa diversité352
16.2 Morphologie et structure des virus procaryotes353
16.2.1 Capsides icosaédriques simples et à géométrie complexe355
16.2.2 Capsides à géométrie hélicoïdale355
16.2.3 Capsides à enveloppe356
16.2.4 Formation et assemblage des capsides357
16.3 Diversité, organisation et architecture des génomes358
16.4 Principe de classification des virus360
16.5 Méthodes d'études361
16.5.1 Isolement, purification et quantification361
16.5.2 Culture : le cycle unique de production362
16.6 Phases du développement viral363
16.6.1 Adsorption du virion et spécificité des récepteurs bactériens363
16.6.2 Transfert du génome viral dans la cellule hôte364
16.6.3 Production de nouveaux virions367
16.6.4 Coévolution de l'infectiosité virale et de la défense de l'hôte371
16.7 Quelques systèmes modèles de bactériophages371
16.7.1 Bactériophages à ADN double-brin de la série T371
16.7.2 Bactériophages à ADN simple-brin374
16.7.3 Bactériophages à ARN simple-brin377
16.7.4 Bactériophages à ARN double-brin378
16.7.5 Les bactériophages tempérés - La lysogénie379
16.8 Les archéovirus383
16.8.1 Modes d'identification - Diversité d'hôtes et de morphotypes384
16.8.2 Les limites de l'approche in vivo385
16.8.3 Quelques systèmes modèles385
16.8.4 Autres systèmes récemment identifiés387
Chapitre 17. Interactions hôtes/Bactéries
388
17.1 Types d'interactions hôtes/Bactéries388
17.2 Interactions hôtes-bactéries non pathogènes389
17.2.1 Le microbiote intestinal de l'Homme390
17.2.2 Dysbioses et maladies391
17.3 Interactions hôtes-bactéries pathogènes393
17.3.1 Infection bactérienne et virulence398
17.3.2 Principales maladies infectieuses d'origine bactérienne chez l'Homme399
17.4 Pathogenèse infectieuse400
17.4.2 Colonisation401
17.4.3 Adhérence403
17.4.4 Invasion404
17.4.5 Résistance aux défenses de l'hôte407
17.4.6 Toxines409
17.5 Perspectives411
Chapitre 18. Dialogues et coopérations intercellulaires
412
18.1 Quorum sensing, une communication intra-ou inter-spécifique412
18.1.1 QS chez les Bactéries à Cram-413
18.1.2 QS chez les Bactéries à Cram+416
18.1.3 Interactions inter-espèces418
18.1.4 Maintien et évolution des systèmes de régulation QS-dépendants419
18.1.5 Lutte antimicrobienne : le quorum quenching420
18.2 Les biofilms, des communautés bactériennes420
18.2.1 Morphologie - composition - structuration420
18.2.2 Physiologie cellulaire : réponse globale et/ou individuelle ?422
18.2.3 Biofilms artificiels mono-spécifiques - Le modèle P. aeruginosa423
18.2.4 Interactions dans les biofilms naturels multi-spécifiques425
18.2.5 Conséquences et espoirs sanitaires associés aux biofilms426
18.3 Vie sociale chez les Archées427
18.3.1 Des processus de quorum sensing probables427
18.3.2 Implication d'Archées dans des biofilms428
Chapitre 19. Lutte anti-microbienne : Antibiothérapie - Épidémiologie
429
19.1 Du concept d'antibiose à l'utilisation des antibiotiques430
19.1.1 Métabolites secondaires comme sources d'antibiotiques431
19.1.2 Nature chimique, classification et mode d'action432
19.2 Biologie de production des antibiotiques436
19.2.1 Organismes producteurs - Physiologie de production436
19.2.2 Rôles biologiques des antibiotiques437
19.3 Résistance aux antibiotiques437
19.3.1 Acquisition de la résistance437
19.3.2 Épidémiologie de la résistance439
19.4 Recherche et production de nouveaux antibiotiques440
19.4.1 Stratégies de criblage440
19.4.2 Amélioration de souches productrices pré-identifiées441
19.4.3 Approche génomique443
19.4.4 Structure cristallographique et design moléculaire443
19.5 Épidémiologie des maladies infectieuses444
19.5.1 La population face à l'infection445
19.5.2 Un exemple de pandémie : la Covid-19449
19.5.3 Analyses statistiques et modèles mathématiques451
Partie VI
Des perspectives en guise de conclusion
Chapitre 20. Bio- et nano-technologies
455
20.1 Principes généraux456
20.2 Biotechnologies blanches457
20.2.1 Biocarburants458
20.2.2 Biomédicaments obtenus par génie génétique459
20.3 Biotechnologies jaunes459
20.3.1 Contaminants environnementaux459
20.3.2 Atténuation naturelle d'une pollution environnementale460
20.3.3 Utilisation de micro-organismes pour détecter et traiter des pollutions461
20.4 Biotechnologies rouges464
20.4.2 Production d'anticorps par des procaryotes465
20.4.3 Élimination spécifique d'une bactérie au sein d'un biofilm465
20.4.4 Affinité des bactéries pour les tumeurs465
20.5 Biotechnologies vertes466
20.6 Nanobiotechnologies467
20.6.1 La couche S467
20.6.2 Les magnétosomes467
20.7 Les bactériophages dans les bio- et nanotechnologies468
20.8 Biologie synthétique : organismes vivants artificiels469
20.8.1 Applications469
20.8.2 Problèmes éthiques470
Chapitre 21. Microbiologie systémique : présent et futur
471
21.1 L'organisme vivant : un système complexe471
21.2 Complexité et émergence472
21.3 La biologie systémique473
21.3.1 Modélisation mathématique des systèmes biologiques474
21.3.2 Réseaux biologiques475
21.4 L'approche systémique en microbiologie476
21.4.1 Des modèles classiques de régulation revisités476
21.4.2 Réseaux d'interactions protéine-protéine (IPP)478
21.4.3 Le virtuel : une base pour déchiffrer le réel479
Notes
483
Bibliographie
487
Liste des compléments Web
495
Index général
499
Index des organismes509