Les bactériophages ou

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1 Les bactériophages ou comment les bactéries tombent malades. Marta de Frutos Laboratoire de Physique des Solides - IBBMC Université de Paris-Sud.

2 Arbre phylogénétique du vivant Eucaryotes Amibes Myxomycètes Animaux Champignons Plantes Ciliés Flagellés Trichomonades Microsporides Diplomonades Microorganismes (milieux «familiers») virus Microorganismes (milieux extrêmes) virus Animaux Plantes Microorganismes (levures, algues) virus

3 Les virus responsables des maladies humaines Hépatite B Variole Herpès Grippe Rage Sida

4 Diversité morphologique des bactéries Escherichia coli Neisseria meningitidis Helicobacter pylori Spirochète Rhizobium Leuconostoc mesenteroides Mycoplasm Staphylococcus Pseudomonas aeruginosa Salmonella

5 La taille d une bactérie Bactérie Escherichia coli Taille = 2 µm

6 La taille de quelques virus 2 µm Hépatite B (Virus humain) 0.03 µm Phage T5 (Virus bactérie) 0.1 µm Bactérie Escherichia coli

7 Quelques ordres de grandeur Cheveux = environ 100 µm = 1/10 millimètre Bactérie = environ 1 µm = 1/100 cheveux Virus = environ nm = 1/100 à 1/10 bactérie

8 Où trouve t-on les bactériophages?.. Partout, où on trouve des bactéries Microorganismes les plus abondants 5 x phages sur toute la planète 1 million de phages /goutte d eau de mer 100 millions / gramme de terre

9 Impact écologiqueog 1 million de phages /goutte d eau de mer 40% des bactéries de l océan sont détruites chaque jour par des phages Rôle important dans la régulation du cycle du carbone océanique

10 Les bactériophages: nuisibles? Bactéries lactiques Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii Impact économique important dans l industrie i laitière iè

11 Ou utiles? Applications thérapeutiques potentielles («Phagothérapie») Ou comment traiter les infections résistantes aux antibiotiques Thérapie phagique 1934, Tbilissi, Géorgie

12 Protéines Molécules qui interviennent dans la construction (constituant majoritaire) et dans leur fonctionnement des organismes vivants Kératine Collagène Hémoglobine Insuline Elles sont constituées de longues chaînes repliées Leur fonction est définie par la composition de la chaîne et son repliement Composition déterminée par l ADN

13 ADN Chromosome Cellule eucaryote Hélice d ADN Informations nécessaires à la production des protéines Séquence ADN Code génétique Chaîne (protéine) Cytosine Guanine Adénine Thymine

14 Diversité morphologique des phages 95% phages connus = capside + queue Tête ou capside ADN Queue Fibres

15 Matyo - Dossier Pour la Science Les virus ennemis utiles Avril 2006 Les bactéries (et autres cellules) se reproduisent Les virus doivent parasiter une cellule pour se reproduire

16 Multiplication des bactéries Nutrition (Matériel et énergie) Machinerie bactérienne Fabrication des constituants bactériens Reproduction par division

17 Multiplication des bactéries (microscopie optique)

18 Infection des bactéries par les phages

19 Infection des bactéries par les phages

20 Infection d une bactérie par un phage 2) Transfert de l ADN 6) Libération 1) Fixation 3) Destruction ADN bactérien 4) Multiplication 5) Assemblage

21 Infection d une bactérie (microscopie électronique) fixation 60 min

22 Les démarches et voies de recherche Biologie i Génétiqueéti Structure Propriétés biochimiques Caractéristiques physiologiques les mécanismes de l infection les mécanismes d assemblage Physique???

23 Phages et physiciens: une vieille histoire 1969 Nobel pour la découverte des Biologie «moderne»: mécanismes de réplication et - Biologie moléculaire, d organisation génétique des virus - Microscopie électronique - Cristallographie RX Max Delbrück «A physicist looks at biology» Création de l Ecole du Phage Félix d Hérelle Découverte des phages 1917 Max Delbrück Alfred Hershey Salvador Luria Prix Nobel de Physiologie et Médecine

24 Structure de l ADN Cristallographie par diffraction de rayons X James Watson (biologiste) et Francis Crick (Physicien) ( g ) ( y ) Prix Nobel de Physiologie et Médecine (1962)

25 Virus et microscopie électronique RX Virus nm Premier microscope électronique (1933) Ernst Ruska Prix Nobel de Physique (1986)

26 Structure tridimensionnelle en microscopie électronique? Images (microscopie électronique) Traitement informatique des images Calcul de la structure 3D

27 Les virus: des structures très organisées 50 nm 10 nm Agirrezabala et al., J.Mol.Biol., 2005 Trus et al., 2004 Baker et al, 1999

28 Nano-objets 1 nanomètre = 1 milliardième de mètre = quelques atomes 1 nm 1 nm 100nm

29 Les phages, des nano-objets? 10 nm 5 nm 10 nm Kostyuchenko Nat. Struct. Biol Fokine PNAS 2004

30 Des nano-machines qui fonctionnent!!!

31 Infection et transfert de l ADN 2) Transfert de l ADN 6) Libération 1) Fixation 3) Destruction ADN bactérien 4) Multiplication 5) Assemblage

32 La question du physicien: Injection de l ADN dans la bactérie Assemblage et entrée de l ADN dans la capside Surface de la bactérie Quelle est l origine des forces qui agissent???

33 L ADN du phage est très fortement replié dans la capside L ADN = 15 µm Ballon de 22 cm 70 nm Corde de 120 m et 6mm 60% remplissage!!!

34 Propriétés physiques de l hélice d ADN Chaîne semi-rigide Energie très importante stockée dans le phage!!! Pression

35 Cette pression fait-elle sortir l ADN du phage?? Modèle simplifié = Etude du phage seul, sans la bactérie

36 Mesures de pression

37 Pression osmotique Pression osmotique Capside semi-perméable Eau Eau Eau Eau + soluté Eau Eau + soluté Membrane semi-perméable La pression osmotique s exerce sur l ADN à travers la capside.

38 Effet de la pression sur le phage Pression Quantité d ADN qui reste dans le phage quand on exerce une pression

39 Mesure de la quantité d ADN à l intérieur du phage Microscopie électronique Diffusion de la lumière LPS, Eric Raspaud LPS, Françoise Livolant

40 Pression à l intérieur du phage 100 % ADN à l'intérie eur bar! Pression externe (bar) bar

41 Transfert de l ADN dans la capside Energie Bactérie Energie Moteur qui consomme de l énergie fournie par la bactérie

42 Le moteur d entrée de l ADN: la protéine portale Queue Agirrezabala et al., J.Mol.Biol., 2005 Pore de passage de l ADN Fonctionne avec d autres protéines Utilise l énergie chimique fournie par la bactérie

43 Comment étudier un moteur moléculaire?

44 Mesure avec des pinces optiques Piège optique Bille ADN Capside Bille Pipette Vitesse de traction, longueur maximale, force maximale, variation dans le temps, Smith et al, Nature, 2001

45 Principe des pinces optiques

46 Caractéristiques de la portale Long gueur ADN e ) xtérieur (kpb) Force (pn) Nombre me esures Temps (s) Force (pn) Smith et al, Nature, 2001 qq min pour encapsider qq μm d ADN (génome entier) Force maximale = 57 pn Pression max dans la capside 60 bar Moteur moléculaire l parmi iles plus puissants étudiés

47 Le transfert de l ADN vu par les physiciens Assemblage et transfert de l ADN dans la capside Fixation sur la bactérie Transfert de l ADN dans la bactérie Energie Pas d énergie

48 Et dans la bactérie? Etudes physiques Mise au point d instruments de mesure performants Détermination des forces et des sources d énergie impliquées dans les mécanismes biologiques ADN phage ADN bactérien MAIS Mécanismes biologiques complexes: Transfert de l ADN du phage nécessite une participation active de la bactérie Nécessité d associer des compétences pluri-disciplinaires (biologie, physique, )

49 LPS Amélie Leforestier Françoise Livolant Stéphanie Mangenot Eric Raspaud Pascale Boulanger Lucienne Letellier IBBMC, Orsay Sandrine Brasiles Paulo Tavares VMS, Gif sur Yvette Virgile Viasnoff Nicolas Chiaruttini ESPCI, Paris Carlos São José Lisboa University, Portugal Et un grand merci à Pascale Boulanger pour les films!!!