Les bactériophages ou comment les bactéries tombent malades. Marta de Frutos Laboratoire de Physique des Solides - IBBMC Université de Paris-Sud.
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
Les virus responsables des maladies humaines Hépatite B Variole Herpès Grippe Rage Sida
Diversité morphologique des bactéries Escherichia coli Neisseria meningitidis Helicobacter pylori Spirochète Rhizobium Leuconostoc mesenteroides Mycoplasm Staphylococcus Pseudomonas aeruginosa Salmonella
La taille d une bactérie Bactérie Escherichia coli Taille = 2 µm
La taille de quelques virus 2 µm Hépatite B (Virus humain) 0.03 µm Phage T5 (Virus bactérie) 0.1 µm Bactérie Escherichia coli
Quelques ordres de grandeur Cheveux = environ 100 µm = 1/10 millimètre Bactérie = environ 1 µm = 1/100 cheveux Virus = environ 10-100 100 nm = 1/100 à 1/10 bactérie
Où trouve t-on les bactériophages?.. Partout, où on trouve des bactéries Microorganismes les plus abondants 5 x 10 31 phages sur toute la planète 1 million de phages /goutte d eau de mer 100 millions / gramme de terre
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
Les bactériophages: nuisibles? Bactéries lactiques Lactococcus lactis, Lactobacillus delbrueckii Impact économique important dans l industrie i laitière iè
Ou utiles? Applications thérapeutiques potentielles («Phagothérapie») Ou comment traiter les infections résistantes aux antibiotiques Thérapie phagique 1934, Tbilissi, Géorgie
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
ADN Chromosome Cellule eucaryote Hélice d ADN Informations nécessaires à la production des protéines Séquence ADN Code génétique Chaîne (protéine) Cytosine Guanine Adénine Thymine
Diversité morphologique des phages 95% phages connus = capside + queue Tête ou capside ADN Queue Fibres
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
Multiplication des bactéries Nutrition (Matériel et énergie) Machinerie bactérienne Fabrication des constituants bactériens Reproduction par division
Multiplication des bactéries (microscopie optique)
Infection des bactéries par les phages
Infection des bactéries par les phages
Infection d une bactérie par un phage 2) Transfert de l ADN 6) Libération 1) Fixation 3) Destruction ADN bactérien 4) Multiplication 5) Assemblage
Infection d une bactérie (microscopie électronique) fixation 60 min
Les démarches et voies de recherche Biologie i Génétiqueéti Structure Propriétés biochimiques Caractéristiques physiologiques les mécanismes de l infection les mécanismes d assemblage Physique???
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 1940 - 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
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)
Virus et microscopie électronique RX Virus 10-100 nm Premier microscope électronique (1933) Ernst Ruska Prix Nobel de Physique (1986)
Structure tridimensionnelle en microscopie électronique? Images (microscopie électronique) Traitement informatique des images Calcul de la structure 3D
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
Nano-objets 1 nanomètre = 1 milliardième de mètre = quelques atomes 1 nm 1 nm 100nm
Les phages, des nano-objets? 10 nm 5 nm 10 nm Kostyuchenko Nat. Struct. Biol. 2003 Fokine PNAS 2004
Des nano-machines qui fonctionnent!!!
Infection et transfert de l ADN 2) Transfert de l ADN 6) Libération 1) Fixation 3) Destruction ADN bactérien 4) Multiplication 5) Assemblage
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???
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!!!
Propriétés physiques de l hélice d ADN Chaîne semi-rigide Energie très importante stockée dans le phage!!! Pression
Cette pression fait-elle sortir l ADN du phage?? Modèle simplifié = Etude du phage seul, sans la bactérie
Mesures de pression
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.
Effet de la pression sur le phage Pression Quantité d ADN qui reste dans le phage quand on exerce une pression
Mesure de la quantité d ADN à l intérieur du phage Microscopie électronique Diffusion de la lumière LPS, Eric Raspaud LPS, Françoise Livolant
Pression à l intérieur du phage 100 % ADN à l'intérie eur 80 60 40 20 48 bar! 0 1 10 100 Pression externe (bar) 20-150 bar
Transfert de l ADN dans la capside Energie Bactérie Energie Moteur qui consomme de l énergie fournie par la bactérie
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
Comment étudier un moteur moléculaire?
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
Principe des pinces optiques
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
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
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, )
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!!!