L inspecteur A. Déenne mène l enquête!

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1 L inspecteur A. Déenne mène l enquête! Le carnet d enquête une visite proactive de l exposition MicroZoo Guide des enseignants des 4 ième et 5 ième secondaires 531, boul. des Prairies Téléphone : (450) Laval (Québec) H7V 1B7 Télécopieur : (450) musee-afrappier@iaf.inrs.ca

2 L inspecteur A. Déenne mène l enquête! Présentation, mise en situation, questionnaire et corrigé du carnet d enquête L ajout de l activité complémentaire Carnet d enquête à la visite de l exposition MicroZoo permet à l élève de jouer un rôle actif. Cette activité a été conçue spécialement pour les élèves des 4 ième et 5 ième secondaires qui rechercheront dans l exposition des indices leur permettant de résoudre une énigme à teneur «microbiologique». Il existe deux versions du carnet (A et B) qui comportent toutes les deux 15 questions. Le contexte de chaque question est commun aux deux versions, mais la question posée diffère. Une mise en commun de l information récoltée par l ensemble des élèves permettra d obtenir des réponses aux 30 questions qui sont autant d indices pour résoudre l énigme. Vous trouverez aux pages suivantes les questions et les réponses des deux versions du carnet L inspecteur A. Déenne mène l enquête!, l information sur l endroit où se trouvent les réponses dans l exposition ainsi que la solution de l énigme. Activité de préparation Il est fortement recommandé de lire ou de faire lire la mise en situation aux étudiants qui visiteront le Musée. À la page 8 de ce document se trouve la mise en situation que vous pourrez photocopier pour vos élèves si vous le désirez. Chacun des étudiants peut aussi formuler son hypothèse à ce moment. Les étudiants retrouveront cette mise en situation et un espace pour écrire leur hypothèse dans le carnet d enquête qui leur sera distribué lors de la visite au Musée. Il est important de mentionner aux étudiants de rapporter en classe le carnet d enquête qui leur sera distribué lors de la visite au Musée. Ce carnet leur permettra de résoudre l énigme. Vous pouvez aussi mentionner aux élèves qu il existe deux versions du carnet. Comme des chercheurs qui travaillent dans différents laboratoires, ils réaliseront différentes expériences et récolteront différents indices qu ils devront mettre en commun pour trouver la solution à l énigme. Voici un tableau résumant les étapes à suivre avant, pendant et après la visite de l exposition MicroZoo. Ce sont en fait les étapes de la démarche scientifique qui sont appliquées à l activité complémentaire du carnet d enquête L Inspecteur A. Déenne mène l enquête!. Étapes de la démarche scientifique Observation ou mise en situation Problème ou interrogation Formulation d une hypothèse Expérimentation ou collecte de données Traitements des données ou des résultats obtenus Conclusion Lieu de réalisation de l étape dans le cadre de l activité complémentaire du carnet d enquête Préparation en classe Préparation en classe et lors de la visite au Musée Lors de la visite au Musée Lors du retour en classe (voir la page 7 de ce document) Mise en situation La Dre Alvir Champrobacter, éminente microbiologiste de l Institut, travaille à l amélioration d un procédé de biotraitement des sols contaminés par des hydrocarbures. L idée du Dre Champrobacter consiste à aérer le sol contaminé avec de l air chaud et humide (40 C), alimentant les bactéries en oxygène et extrayant du même coup les hydrocarbures dits légers (BTEX). Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences 2

3 L air contenant les BTEX Sol contaminé Air humide La Dre Champrobacter étudie la bactérie Pseudomonas aeruginosa qu elle a isolée du sol contaminé et qu elle a affectueusement rebaptisée Mona-1. Placée dans les conditions qui lui sont favorables pour vivre, Mona-1 qui est une bactérie aérobie, oxyde ou dégrade les hydrocarbures qui lui servent de nourriture, à une température optimale de 15 C. Dans le but d augmenter la vitesse de nettoyage des sols, Dre Champrobacter a eu l idée de modifier génétiquement Mona-1 afin qu elle soit capable de dégrader les hydrocarbures à une température plus élevée. La nouvelle bactérie, appelée Mona-2, a reçu des gènes provenant d une bactérie extrêmophile vivant à une température optimale de 40 C. La bactérie donneuse a les mêmes caractéristiques que Methanopyrus kandleri, bactérie extrêmophile des fonds marins, sauf en ce qui a trait à la température. Les gènes reçus par Mona-2 devraient lui permettre de dégrader les hydrocarbures à une température de 40 C. Hélas, lorsque Dre Champrobacter teste les capacités de sa toute nouvelle Mona-2 celleci ne dégrade pas les hydrocarbures, ni à 15 C, ni à 40 C et en plus, meurt en présence d oxygène. Dre Champrobacter se demande ce qui a bien pu arriver pour expliquer un tel résultat. À toi de jouer inspecteur A. Déenne! Une bonne connaissance des micro-organismes te permettra de résoudre l énigme entourant Mona- 2. Avec ton carnet d enquête, parcours l exposition MicroZoo et ne néglige aucun indice Hypothèse Selon toi, que s est-il passé avec Mona-2? Inscris ici une hypothèse qui te semble plausible. L hypothèse émise sera par la suite confirmée ou infirmée grâce aux informations recueillies au cours de l enquête. Questions au rez-de-chaussée : Tous les micro-organismes ne vivent pas dans les mêmes conditions. Certains vivent dans des environnements très acides, on les appelle les acidophiles et d autres vivent littéralement dans des bouilloires. On appelle extrêmophiles les micro-organismes qui vivent dans les conditions extrêmes. Methanopyrus kandleri est une extrêmophile vivant dans les fonds marins. QA : À quelle température vit Methanopyrus kandleri? Qu est-ce qu elle a de particulier? RA : Vit à des températures extrêmes allant jusqu à 350 C, elle meurt en présence d oxygène. QB : Dans quel environnement particulier retrouve-t-on Methanopyrus kandleri? Que lui arrive-t-il en présence d oxygène? RB : Sur les évents hydrothermiques, elle meurt. (Dans la zone des colonisateurs millénaires.) 1.2 : Mona-1, une bactérie aérobie, a été isolée d un sol contaminé par des hydrocarbures issus du pétrole. QA : D après toi, Mona-1 a-t-elle été isolée d un sol de surface ou d un puits creusé très profondément dans le sol? Peux-tu nommer le composé qui permet à certains micro-organismes des profondeurs de «respirer»? RA : Elle a été plus probablement isolée d un sol de surface puisqu elle est aérobie donc a besoin d oxygène pour vivre; l hydrogène. 1 QA : Question du carnet A QB : Question du carnet B RA : Réponse du carnet A RB : Réponse du carnet B Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences 3

4 QB : Mona-1 aurait-t-elle pu être isolée à proximité d un réservoir naturel de pétrole souterrain? Les bactéries qui vivent très profondément dans le sol respirent-t-elles de l oxygène? RB : Il est peu probable qu on y aurait trouvé Mona-1. En tant que bactérie aérobie, elle a besoin d oxygène pour vivre. Elle trouve cet oxygène dans les sols de surface. Certains micro-organismes peuvent «respirer» grâce à d autres molécules comme l hydrogène. (Dans le texte: Les micro-organismes des profondeurs.) 1.3 : Afin de vérifier l efficacité de Mona-1 à oxyder les hydrocarbures qui contiennent beaucoup d atomes de carbone, tout comme la matière organique du sol et le sucre en contiennent, une technicienne du laboratoire du Dre Champrobacter mesure la quantité de gaz produit par la respiration des bactéries avant et après avoir brassé la terre. QA : Le gaz produit par la respiration aérobie des micro-organismes est le CO 2. Peux-tu dire d où provient le C du CO 2? RA : Les hydrocarbures (produits pétroliers) qui composent l essence contiennent des atomes de carbone (C) comme le sucre. Les microorganismes oxydent ces molécules (les dégradent, les brisent) tout comme les cellules humaines oxydent le sucre, en retirent de l énergie et relâchent un déchet, le CO 2. QB : Quel gaz est produit lors de la respiration aérobie des microorganismes? À partir de quel composé? RB : Le CO 2, comme dans la respiration cellulaire humaine; les hydrocarbures qui contiennent du carbone. (Dans le cycle du carbone.) 1.4 : Lors de son arrivée au laboratoire, la technicienne était peu expérimentée. Un vendredi après-midi, elle a oublié de fermer les couvercles des plats de Pétri dans lesquels elle cultive Mona-1. (Dans les plats de Pétri, il y a une source de nourriture pour les microorganismes que l on appelle une gélose.) QA : D après toi, qu est-ce que ça peut bien faire de ne pas fermer le couvercle des plats de Pétri? RA : Les micro-organismes présents dans l air se déposent sur les géloses, on dit qu ils les contaminent, se développent grâce à la nourriture disponible et empêchent souvent de bien voir la croissance du micro-organisme préalablement cultivé et qui nous intéresse. QB : Le lundi matin, lorsqu elle examine les géloses, la technicienne voit que plusieurs moisissures du genre Cladosporium ont envahi les plats de Pétri. Peux-tu expliquer pourquoi? RB : Les micro-organismes présents dans l air sont surtout des moisissures. Elles se sont déposées à la surface des géloses et se sont développées grâce à la nourriture qu elles contiennent. (Dans la section: Les micro-organismes de l atmosphère.) 1.5 : Une des bonnes pratiques dans un laboratoire de microbiologie des sols consiste à se laver les mains souvent et à désinfecter les surfaces de travail et les lavabos. La technicienne est responsable de cette tâche importante. QA : Pourquoi doit-on se laver les mains souvent? Dans la pharmacie identifie un produit qui peut être utilisé à cette fin. RA : Éviter de transporter des micro-organismes indésirables hors du laboratoire, se protéger contre des infections potentielles, le nettoyant Spectro gel. QB : Pourquoi désinfecter les surfaces de travail et les lavabos du laboratoire? Dans la pharmacie identifie un produit qui peut être utilisé à cette fin. RB : Pour éviter de contaminer le matériel qu on y dépose et se protéger contre des infections potentielles, l eau de Javel (Javex). (Dans la Pharmacie.) 1.6 : Tu es invité à visiter le laboratoire du Dre Champrobacter. Elle utilise souvent les services de microscopie électronique de l Institut et t emmène voir à quoi ressemble cet instrument. Elle te montre une photo d une cellule de souris. Dans le texte accompagnant cette image, on identifie des organites intracellulaires appelés mitochondries. QA : À quoi servent ces organites? Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences 4

5 RA : Ce sont les organites intracellulaires responsables de la génération d énergie (ATP) lors de la respiration aérobie. QB : Quelle est l origine probable de ces organites? RB : Les mitochondries seraient probablement d origine bactérienne étant donné qu elles possèdent leur propre matériel génétique. On suppose une association symbiotique très ancienne. (Dans le texte de la photomicrographie de la cellule de souris). 1.7 : Tu sais maintenant que le sol contient une très grande quantité de micro-organismes. Si la très grande majorité d entre eux sont utiles voir même essentiels à notre survie, certains peuvent infecter les humains et les rendre malades. Clostridium tetani est l une de ces bactéries. QA : Quelle est le nom de la maladie engendrée par cette bactérie et comment peut-on l attraper? RA : Le tétanos, cette bactérie qui vit principalement dans la terre pénètre dans l organisme par une lésion de la peau (coupure ou éraflure). QB : Peut-on mourir de la maladie engendrée par cette bactérie et comment s en protéger? RB : Oui, la vaccination représente le meilleur outil de prévention contre le tétanos. Ce vaccin doit être administré à plusieurs reprises appelé rappels (Roues des découvreurs et dans la banque de données informatisées). 1.8 : Lorsqu elle était petite, en jouant dans le jardin, Alvir Champrobacter a été infectée par Clostridium tetani. À l hôpital, les analyses de sang ont démontré que son système immunitaire ne combattait pas efficacement l infection. On lui a administré immédiatement de fortes doses d antibiotiques. QA : Qu est-ce qui aurait pu protéger adéquatement Alvir Champrobacter contre cette infection? Pourquoi? RA : Le vaccin anti-tétanique. Le vaccin est un micro-organisme affaibli, atténué ou mort que l on injecte dans l organisme afin qu il développe un système de défense sans engendrer la maladie. QB : Est-ce qu un antibiotique est la même chose qu un vaccin? Pourquoi? RB : Non. Un antibiotique est une substance produite par un microorganisme pour se protéger contre un autre micro-organisme (ex.: la pénicilline est produite par un champignon nommé Pénicillium). L antibiotique est efficace uniquement contre les bactéries et est administré après que l infection se soit déclarée. Alors qu un vaccin est un micro-organisme affaibli, atténué ou mort que l on injecte dans l organisme afin qu il développe un système de défense sans engendrer la maladie. (Des renforts pour le système immunitaire.) Questions à l étage 2.1 : Dre Alvir Champrobacter est une amateure de pique-nique au bord de la rivière! Pain frais, fromages et saucissons sont au menu. De plus, elle aime bien boire une bonne bière fraîche lors des chaudes journées d été lorsqu elle revient de l Institut à bicyclette. QA : Qu ont en commun tous les produits alimentaires énumérés plus haut? RA : Tous ont été fabriqué par des micro-organismes. QB : Quelles sont les sortes de micro-organismes impliqués dans la fabrication de chacun de ces aliments? RB : Des levures pour le pain et la bière, des bactéries pour le fromage et le saucisson. (Dans la section de la nappe champêtre.) 2.2 : Afin de souhaiter la bienvenue à la nouvelle technicienne, Dre Champrobacter organise une dégustation de vins et de fromages au Musée. Il y a un beau Camembert et un immense Roquefort que tous ont envie de goûter tellement ils ont l air appétissant Une semaine plus tard, les mêmes fromages, qu on a oubliés sur le comptoir dégagent une odeur très forte. QA : Peux-tu nommer les micro-organismes qui servent à affiner le Camembert et le Roquefort? Y a-t-il seulement ces micro-organismes sur la croûte du fromage? RA : Les moisissures Penicillium camemberti et roqueforti. Non. Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences 5

6 QB : Pourquoi les fromages sentent-ils aussi fort après quelques jours à la température de la pièce? RB : Les moisissures, qui ne sont pas les seuls micro-organismes présents sur la croûte des fromages continuent d évoluer. La température ambiante (chaude) favorise le développement de bactéries qui gâtent le fromage. (Étapes de la production du fromage.) 2.3 : La technicienne fait des analyses chimiques sur les échantillons de terre pour mesurer les quantités d hydrocarbures qui s y trouvent. Après ses analyses, elle nettoie le matériel de laboratoire qui a été en contact avec la terre contaminée avec de l eau. QA : Crois-tu qu il y a maintenant des hydrocarbures dans cette eau? RA : Oui, l eau qui entre en contact avec la terre deviendra contaminée à son tour. QB : L eau qui entre en contact avec la terre contaminée devient contaminée elle aussi. Comment pourrait-on la nettoyer? RB : En la filtrant avec un filtre de charbon ou filtre biologique. (Sur le panneau du traitement de l eau.) 2.4 : Regarde l exemple de génie génétique qui traite de la production d insuline. Q : À partir de cet exemple, peux-tu mettre en ordre les étapes de la transformation génétique de Mona-2? a) Insérer les gènes dans Mona-1 par transformation. Elle devient alors Mona-2. b) Isoler l ADN de la bactérie donneuse. Cet ADN contient les gènes responsables de la résistance à l augmentation de la température et de la sensibilité à l oxygène. c) Augmenter le nombre de copies des gènes responsables de la résistance à l augmentation de la température, par la technique du PCR. d) À l aide d enzymes de restriction, prélever les gènes responsables de la résistance à l augmentation de la température sur l ADN de la bactérie donneuse. e) Cultiver la nouvelle bactérie Mona-2 et vérifier si elle exprime les bons gènes. R : (Vidéo dans la zone 4.) 2.5 : Une fois qu elle a reçu ses nouveaux gènes, Mona-2 doit produire les protéines impliquées dans le mécanisme de thermoprotection qui lui permet de vivre à une température de 40 C. Q : Peux-tu expliquer comment Mona-2 fabrique ces protéines? R : L ADN qu on lui a donné contient les informations nécessaires pour les fabriquer. L ADN est d abord transcrit en ARN, puis l ARN est traduit en acides aminés. Les produits résultant de l agencement des acides aminés selon ce code spécifique seront les protéines responsables de l oxydation des hydrocarbures (et les protéines responsables de la thermoprotection). 2.6 : Des collègues du Dre Champrobacter ont isolé une bactérie qui dégrade le PCP. Elle s appelle Desulfitobacterium frappieri en l honneur d Armand Frappier, fondateur de l Institut qui porte son nom. QA : Cette bactérie meurt en présence d oxygène. Qu est-ce qu elle utilise alors en remplacement pour respirer? RA : Elle utilise le soufre comme son nom l indique. On ne parle plus d oxydation dans ce cas. L oxydation se fait en présence d oxygène. QB : Est-ce une bonne idée de mettre cette bactérie avec Mona-1 afin de l aider à dégrader les hydrocarbures? Pourquoi? RB : Non. Parce que Desulfitobacterium frappieri est une bactérie qui dégrade le PCP en condition anaérobie (absence d oxygène) alors que Mona-1 a besoin d oxygène pour vivre et oxyder, donc dégrader, les hydrocarbures. (Sur la chambre anaérobie.) 2.7 : Les recherches du Dre Champrobacter portent sur la décontamination des sols par les micro-organismes. Les microorganismes servent aussi à produire des aliments. QA : Peux-tu dire ce qu il y a de commun entre la décontamination biologique des sols et la production d aliments par des procédés biotechnologiques? Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences 6

7 RA : Plusieurs réponses possibles dont: utilisation de microorganismes dans des conditions environnementales déterminées (source de nourriture et d énergie, température, ph, humidité, présence/absence d O 2, etc.) qui permettent à l homme d utiliser leurs caractéristiques particulières. Tous les micro-organismes utilisent une source de nourriture à base de carbone (hydrocarbures ou sucres). Plusieurs de ces micro-organismes produisent du CO 2. QB : Peux-tu dire ce qu il y a de différent entre la décontamination biologique des sols et la production d aliments par des procédés biotechnologiques? RB : Plusieurs réponses. Dans le cas de la décontamination des sols, les micro-organismes sont utilisés pour détruire une substance carbonée (les hydrocarbures entre autres) qui est néfaste pour l homme. Dans le cas de la production d aliments, les microorganismes sont utilisés afin de produire une substance utile à l homme. Certains micro-organismes utilisent de l oxygène (aérobie) et d autres n en ont pas besoin (anaérobie). (Tout le 2 ième étage.) Conclusion À la lumière de l enquête que tu viens de mener, quelle est la conclusion à laquelle tu arrives à propos de Mona-2 et pourquoi? Avais-tu élaboré la bonne hypothèse de départ? De retour en classe, compare tes réponses et tes conclusions avec celles de tes collègues du bureau d enquêtes! À la prochaine, inspecteur A. Déenne! Activité de prolongement ou de retour en classe De retour en classe, la mise en commun des indices trouvés par les élèves devrait permettre de résoudre l énigme. Pour faire votre retour en classe, nous vous suggérons les étapes suivantes: 1) inscrire au tableau les hypothèses de départ des élèves, 2) demander aux élèves de réfuter les hypothèses improbables en leur demandant de fournir les indices ou les preuves qui leur permettent d éliminer ces hypothèses (ils trouveront les indices et les preuves dans les réponses du carnet d enquête), 3) diriger un échange d information et d indices (étant donné qu il existe 2 versions du carnet d enquête, certains éléments de réponse doivent être partagés), 4) demander aux étudiants s ils peuvent formuler d autres hypothèses selon les indices qu ils ont découverts lors de la visite et lors de l échange d information, 5) l enseignant réfute les autres hypothèses improbables et suggère l hypothèse probable si elle n a pas encore été mentionnée, 6) l enseignant guide les élèves pour qu ils arrivent à trouver la solution. Solution La bactérie Mona-1 est capable de dégrader les hydrocarbures grâce à son métabolisme aérobie. En respirant de l oxygène elle tire son énergie vitale des hydrocarbures. Elle peut ainsi se multiplier. Cette bactérie a été modifiée par l apport de gènes plus nombreux que ce qui était souhaité par le Dre Champrobacter. Les gènes de résistance à l augmentation de la température provenant de la bactérie donneuse devaient être accolés aux gènes de sensibilité à l oxygène ce qui fait que les deux caractères ont été transférés puis exprimés par Mona-2. Mona-2 ne supportant plus la présence d oxygène, elle ne sera plus capable d oxyder les hydrocarbures et ne survivra pas dans son nouvel environnement. Le génie génétique est un domaine complexe et le travail avec des outils moléculaires requiert une grande connaissance des interactions entre les différentes parties du génome d un organisme. Il n est pas toujours simple de retirer des portions déterminées de génome sans entraîner des portions non désirées. Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences 7

8 L inspecteur A. Déenne mène l enquête! Mise en situation La Dre Alvir Champrobacter, éminente microbiologiste de l Institut, travaille à l amélioration d un procédé de biotraitement des sols contaminés par des hydrocarbures. L idée du Dre Champrobacter consiste à aérer le sol contaminé avec de l air chaud et humide (40 C), alimentant les bactéries en oxygène et extrayant du même coup les hydrocarbures dits légers (BTEX). L air contenant les BTEX Sol contaminé La Dre Champrobacter étudie la bactérie Pseudomonas aeruginosa qu elle a isolée du sol contaminé et qu elle a affectueusement rebaptisée Mona-1. Placée dans les conditions qui lui sont favorables pour vivre, Mona-1 qui est une bactérie aérobie, oxyde ou dégrade les hydrocarbures qui lui servent de nourriture, à une température optimale de 15 C. Dans le but d augmenter la vitesse de nettoyage des sols, Dre Champrobacter a eu l idée de modifier génétiquement Mona-1 afin qu elle soit capable de dégrader les hydrocarbures à une température plus élevée. La nouvelle bactérie, appelée Mona-2, a reçu des gènes provenant d une bactérie extrêmophile vivant à une température optimale de 40 C. La bactérie donneuse a les mêmes caractéristiques que Methanopyrus kandleri, bactérie extrêmophile des fonds marins, sauf en ce qui a trait à la température. Les gènes reçus par Mona-2 devraient lui permettre de dégrader les hydrocarbures à une température de 40 C. Hélas, lorsque Dre Champrobacter teste les capacités de sa toute nouvelle Mona-2 celle-ci ne dégrade pas les hydrocarbures, ni à 15 C, ni à 40 C et en plus, meurt en présence d oxygène. Dre Champrobacter se demande ce qui a bien pu arriver pour expliquer un tel résultat. À toi de jouer inspecteur A. Déenne! Une bonne connaissance des micro-organismes te permettra de résoudre l énigme entourant Mona-2. Selon toi, que s est-il passé avec Mona-2? Formule une hypothèse Air humide Musée Armand-Frappier, Centre d interprétation des biosciences