Exercice de rappel sur les virus 1- Vrai ou Faux (justifier lorsque la proposition est fausse) - Toutes les particules virales possèdent obligatoirement une capside faites de protéines et du matériel génétique - Toutes les particules virales ont la même structure - Les virus possèdent un acide nucléique, cet acide nucléique est obligatoirement de l acide désoxyribonucléique - Les virus produisent leur propre énergie - Les virus peuvent avoir comme hôte des cellules eucaryotes ou procaryotes. - Certains virus peuvent s intégrer au génome de la cellule hôte - La libération des virus provoque généralement la mort de la cellule 2- Lister dans l ordre les étapes d un cycle viral Document 1 : La classification des bactériophages
Activité 1 : A l aide du document 1, 2a compléter les documents 2 b, 3 et commenter les document 2c, et d Document 1 Les bactériophages ont des formes et des styles de vie variés. Toutefois, deux groupes se distinguent : les phages lytiques qui détruisent les bactéries hôtes, et les phages lysogéniques, dont le matériel génétique s immisce dans le génome bactérien. Les premiers sont au moins dix fois plus nombreux que les seconds. Tous les phages partagent les mêmes étapes précoces du cycle infectieux, à savoir la reconnaissance et l adsorption sur la bactérie cible, puis l injection du matériel génétique dans le cytoplasme bactérien. Les deux étapes suivantes, l infection elle-même, au détriment de la cellule bactérienne, avec la réplication, la synthèse des protéines virales du phage, l assemblage et la lyse bactérienne avec libération des nouveaux bactériophages, sont immédiates pour les phages lytiques, mais retardées pour les phages lysogéniques. Pendant ce cycle lysogénique, l ADN du phage est intégré dans le génome bactérien et la bactérie avec ce prophage peut se diviser. Cette latence perdure tant que les gènes requis pour la lyse sont réprimés. Ainsi, de véritables échanges de matériel génétique entre l hôte et le bactériophage ont lieu durant cette «cohabitation» forcée. [ ] En réponse à certaines perturbations externes, comme une forte exposition à la lumière ultra-violette, ou une hausse de température, le phage lysogénique quitte son état dormant et redevient lytique. Document 2 Un modèle pour l étude du le cycle lytique : le phage lytique T4 infectant E.coli a- Présentation du phage T4 b- Cycle lytique c-observation au MET d E.coli infectée par le phage T4 d- Evolution des constituants phagiques suite à l infection d une population bactérienne
Document 3 : Un modèle pour l étude du cycle lysogénique : le phage lambda infectant E.coli a- Présentation du phage lambda b- Cycle lysogénique
Activité 2 (en lien avec ETLV ) A l aide des documents 4 et 5 compléter le tableau comparatif Document 4 : La transduction généralisée. Après l injection de l ADN d un phage dans la bactérie donneuse (A), le phage se multiplie par un cycle lytique : - destruction de l ADN bactérien : mais malgré cela un gène de la bactérie donneuse reste entier (gène g) - réplication de l ADN viral - formation de capside - formation de virions : lors de l assemblage il y a une encapsidation anormale du gène g bactérien, ce qui forme un page défectif. - lyse de la bactérie A : libération de phages normaux et d un phage défectif Le phage défectif, peut infecter une bactérie receveuse (B). Le gène g, s apparie à une région homologue gène g, c'est-à-dire qu il s associe à des paires de bases quasiment identiques du génome de la bactérie. Dans la bactérie B il y a échange par recombinaison entre le gène g et le gène g de la bactérie A. La bactérie B a acquit un caractère différent. Il y a transfert d un gène de la bactérie donneuse à la bactérie receveuse. Document 5 : La transduction restreinte Un phage tempéré infecte la bactérie donneuse A. Le phage commence son cycle lysogène et s intègre, sous forme de prophage, dans le chromosome bactérien. Suite à une induction par les UV, par exemple, le phage passe d un cycle lysogénique à un cycle lytique. Il y a libération d ADN phagique, si l excision ne s effectue pas aux extrémités des gènes phagiques, des gènes de la bactéries donneuse sont excisés : l ADN du phage est défectif, il reste à l état circulaire dans la bactérie, mais ne peut pas induire un cycle lytique. La surinfection par le phage tempéré, va déclencher le cycle lytique : il y aura formation de phages normaux et défectifs. Après libération, le phage défectif peut infecter une bactérie receveuse. L ADN du phage défectif s intègre alors dans le chromosome bactérien, la bactérie B acquiert un nouveau caractère. Transduction généralisée Transduction restreinte Phage(s) acteurs, (pour chaque phage indiquer la bactérie infectée et le cycle viral) Mode d intégration du nouveau gène dans la bactérie receveuse Justification du nom de la transduction
Activité 2 -A l aide des études de cas, compléter la deuxième colonne dans le tableau -Indiquer dans la troisième colonne le domaine d application en biotechnologie, et si la présence ou l utilisation de bactériophage est un avantage ou un inconvénient pour les biotechnologies, indiquer le domaine d application - Enfin faire un travail de synthèse pour cela compléter la première colonne du tableau en indiquant les propriétés des bactériophages impliquées. Cas N 1 : source : Paquet hygiène, Groupe scientifique sur l'eau Institut national de santé publique du Québec, 2002 La norme 10705 spécifie une méthode de détection et de dénombrement des coliphages somatiques par incubation de l'échantillon avec une souche-hôte appropriée. La méthode est applicable à tous les types d'eaux, aux extraits de sédiments et de boues, si nécessaire après dilution. La méthode est également applicable aux extraits de coquillages. Critères d une eau potable : 0 bactériophage dans 100 ml Lors du traitement des eaux potables, certains bactériophages peuvent être utilisés comme indicateurs; ce sont surtout les bactériophages des bactéries coliformes qui ont retenu l'attention. Comme les bactéries coliformes, particulièrement les coliformes fécaux, ont déjà une fonction indicatrice importante (pollution fécale), les virus infectant ces bactéries sont donc d'un intérêt particulier. Les bactériophages des bactéries coliformes, aussi appelés coliphages, sont scindés en deux groupes : les coliphages somatiques qui infectent la bactérie en s'attachant à la paroi cellulaire, et les coliphages mâles spécifiques (virus à ARN) qui s'attachent aux pili sexuels ou F. Dans une eau non désinfectée et vulnérable, et en l'absence d autres indicateurs de qualité microbienne (coliformes fécaux, E. coli et entérocoques), la présence de coliphages mâles spécifiques laisse soupçonner une contamination d'origine fécale plus ou moins récente. Les virus bactériens et animaux ayant une survie plus longue (de l ordre de quelques mois) que celle des bactéries indicatrices, la présence de coliphages mâles spécifiques suggère que des virus entériques humains pourraient être également présents. À 100 ml d'échantillon, on ajoute la suspension de cellules hôtes appropriées en phase de croissance logarithmique et 100 ml de milieu gélifié TSA (trypic soy agar), à concentrée deux fois, à 45 C. Ce mélange est réparti dans 5 à 10 boites de Pétri qui sont ensuite incubées pour la nuit. Les plages de lyse sont alors dénombrées et exprimées en unité formant des plages par 100 ml (ufp/100ml ). Cas N 2 : Sources : Contrôle des bactériophages dans la transformation laitière avec les filtres Emflon de Pall, juin 2010 Dea d œnologie : La lysogénie de Leuconostoc Oenos et son implication dans la fermentation malolactique, Université de Bordeaux II, 1993 Les phages représentent une menace pour tous les processus de fermentation bactérienne car ils ont la capacité de détruire les bactéries assurant ces fermentations. Le vin qui est un produit nécessitant une fermentation bactérienne, la fermentation malolactique, n échappe pas à ce problème. En outre, les fabricants de bactéries destinées à ensemencer les cuves de vin en début ou en difficulté de fermentation malolactique, (ces bactéries sont appelées cultures de départ) en sont aussi victimes. Une attaque de phages dans un milieu de culture extrêmement riche en bactéries, par exemple dans un fermenteur industriel peut entraîner la perte définitive de la souche bactérienne. Les ferments lactiques jouent un rôle vital dans la fabrication des yaourts, du beurre, du fromage et autres produits laitiers fermentés. Ils produisent l acide lactique qui joue un rôle primordial sur les caractéristiques qualitatives telles que le goût, l arôme et la texture, et favorisent le contrôle de la flore microbienne. Les bactériophages sont un groupe de virus qui ciblent des bactéries spécifiques du ferment lactique, tels que les Lactocoques. Les interactions spécifiques phage-hôte peuvent entraîner la lyse complète des cellules cibles du virus et diminuer le rendement de la culture. L infection par bactériophage est la cause majeure de défaut de fermentation ou d une production lente d acides lors de la fermentation. Il en résulte des incubations interminables ou des cuves «mortes» typiques. Tout phage contaminant une cuve de ferments lactiques peut en inhiber l activité ou tuer des souches ayant une fonction essentielle telle que la production d arôme, avec des conséquences négatives sur la qualité du produit final.
Cas N 3 : Sur un milieu gélosé approprié, des stries de différentes bactéries sont effectuées. Au centre de chacune de ces stries une anse de suspension de phage est déposée. Après incubation, on observe l apparition ou non de plages de lyse caractéristiques. En connaissant la spécificité bactérienne du phage, il est possible d identifier le genre, l espèce voire la souche bactérienne. Cette technique employant des bactériophages permettant une identification bactérienne au niveau du genre ou de l'espèce de la souche (exemples: Brucella (cf boite de Pétri ci contre)) s appelle la lysotypie. Cas N 4 Bactériophages et médecine, une longue histoire Dans son article fondateur de 1917, Félix d Hérelle isola ses premiers bactériophages à partir des selles de patients en voie de guérison. Il pensa que ces bactériophages étaient les agents responsables des guérisons naturelles que l on pouvait observer à cette époque. A partir de ce raisonnement il démontra rapidement que les bactériophages pouvaient être utilisés pour traiter des infections bactériennes chez l homme. Ainsi les bactériophages furent utilisés en médecine à partir de 1919, 10 ans exactement avant la découverte du premier antibiotique, la pénicilline. Les bactériophages furent ainsi les premiers agents anti-bactériens spécifiques et naturellement leur utilisation fût immédiatement développée. Cependant, la nature même de ces bactériophages fût à l origine d un débat scientifique pendant 20 ans jusqu à ce que la preuve de leur nature virale (via l observation en microscopie électronique) fût établie. D autres évènements, tel que l avènement des antibiotiques et la seconde guerre mondiale, ont alors précipité dans l oubli l utilisation médicale des bactériophages dans le monde exception faite de l Europe de l Est. Depuis un peu plus de 10 ans les bactéries qui résistent de plus en plus souvent à plusieurs antibiotiques et le tarissement de la découverte de nouveaux composés antibactériens ont provoqué un regain d intérêt pour l application thérapeutique des bactériophages. Cas N 5 Source Communiqué de l institut Pasteur, 2005, en collaboration avec le CNRS Cholera : comment un parasite rend une bactérie pathogène? Le vibrion cholérique est la bactérie responsable du choléra. Tous les Vibrio cholerae ne sont pas pathogènes. Pour devenir pathogène, le vibrion doit notamment acquérir la capacité à produire la toxine cholérique, qui est responsable des diarrhées mortelles du choléra. La capacité à produire cette toxine est transmise à la bactérie par un parasite astucieux, le bactériophage CTX. Les bactériophages sont des virus qui infectent les bactéries. Pour parasiter le vibrion cholérique, le bactériophage CTX intègre l ensemble de son génome dans celui de la bactérie, ce qui lui permet de profiter de la multiplication de son hôte pour se propager. En «échange», le vibrion acquiert la capacité à produire la toxine cholérique qui est encodée dans le génome du phage. Le génome de la plupart des bactéries, et notamment celui du vibrion cholérique, est composé de chromosomes circulaires d ADN double brin. Le génome du phage CTX se présente lui sous la forme d un ADN circulaire simple brin. Les chercheurs du CNRS et de l Institut Pasteur viennent de montrer par quel mécanisme le phage CTX «pirate» la machinerie cellulaire de la bactérie pour permettre l intégration de son génome malgré cette différence de structure. Tout comme le bactériophage CTX, de nombreux autres «parasites» des bactéries sont responsables de la dissémination dans les bactéries de gènes les rendant infectieuses ou résistantes à des antibiotiques. Le mécanisme d intégration du phage CTX pourrait s appliquer à bon nombre de ces parasites. Les chercheurs de l Institut Pasteur ont notamment montré qu un mécanisme similaire expliquerait l acquisition de multiples résistances par les bactéries à Gram négatif, telles que les entérobactéries, les pseudomonas et les vibrions. Ces travaux pourraient permettre de développer de nouveaux outils thérapeutiques contre les bactéries pathogènes et de lutter contre la propagation de souches microbiennes multirésistantes. Cas N 6 Sources : Institut Pasteur, Juin 2009 L. Debarbieux - Cours de microbiologie générale, Dunod, 2004 En biologie moléculaire il est possible de modifier génétiquement des bactéries au moyen de phages. Les phages sont alors responsables d un transfert de gène d une bactérie donneuse à une bactérie receveuse.
Propriétés des bactériophages Conséquences en biotechnologies Cas N 1 Avantage ou inconvénient pour les biotechnologies Cas N 2 Cas N 3 Cas N 4 Cas N 5 Cas N 6
Chapitre 8 Les bactériophages Un bactériophage ou phage est un virus ayant comme hôte spécifique une bactérie. Exercice de rappel sur les virus 1- Répondre par vrai ou faux - Toutes les particules virales possèdent obligatoirement une capside constituée de protéines et du matériel génétique V -Toutes les particules virales ont la même structure F, icosaédrique (adénovirus), hélicoïdale (mosaïque du tabac), mixte (certains bactériophage voir cours), nu (icosaédrique nu, papillomavirus ; ou enveloppé (icosaédrique VIH), virus de la grippe enveloppé, hélicoïdale)), -Les virus possèdent un acide nucléique, cet acide nucléique est obligatoirement de l acide désoxyribonucléique F, C est même à la base d une classification ( ADN db, ADN sb + ou -, ARN db, ARN sb + ou -) - Les virus produisent leur propre énergie F, ce sont des parasites obligatoires : détournent le métabolisme cellulaire pour lui apporter de l énergie, certaines enzymes - Les virus peuvent avoir comme hôte des cellules eucaryotes ou procaryotes. V - Certains virus peuvent s intégrer au génome de la cellule hôte V (exemple : -La libération des virus provoque généralement la mort de la cellule 2- Lister dans l ordre les étapes d un cycle viral lorsqu il aboutit à la destruction de la cellule - attachement du virus à la cellule - pénétration du virus dans la cellule - (décapsidation et libération du matériel génétique) - synthèse - des protéines de la capside - du matériel génétique (réplication virale) - assemblage des constituants pour former des particules virales -lyse de la cellule et libération des virions I- Quelle est la classification des phages? Les caractères les plus importants pour classer les Bactériophages sont la nature de l acide nucléique et la morphologie de capside de la particule virale : ( Rappel : la capside+ AN= Nucléocapside) Les particules virales contiennent comme acide nucléique soit de l ADN simple brin ou double brin soit de l ARN simple brin ou double brin. La capside peut avoir - une symétrie icosaédrique - une symétrie hélicoïdale : on appelle bactériophage filamenteux - une symétrie mixte : (présentant une tête et une queue contractile ou non) Ils existent quelques phages enveloppés. A partir de l observation de bactériophage dans les eaux marines en microscopie électronique et calculs, on estime à 10 31 le nombre de bactériophages sur terre. Là ou se trouvent des bactéries, se trouvent des phages.
II- Comment se multiplient les phages? Activité 1 (Retravaillé ETLV, animation Mc graw hill) Cycles lytiques et lysogéniques des bactériophages Le cycle Lytique Documents 2 Document 2 a : Légende -ADN, symétrie icosaédrique pour la tête (8 0 nm) -Symétrie hélicoïdale pour la queue (100 nm) -symétrie mixte pour l ensemble Document 2b : Légende : Schéma 1 :Virus, ADN, bactérie hôte Etape1 :adsorption Schéma 2 : capside, ADN Etape 2 : injection du matériel génétique, Etape 3 : Réplication (=synthèse du génome virale) et synthèse de protéines virales Etape 4 : assemblage des particules virales Etape 5 : lyse de la bactérie, libération des phages. Document 2c Légende : bactérie E.coli, paroi Phage : tête, plaque basales, gaines plus ou moins courtes de la queue Commentaire : Les fibres de la queue du phage entre en contact avec des récepteurs spécifiques de la surface de la bactérie. La plaque basale, s approche de la paroi bactérienne. Lorsque la plaque basale est accollée à la paroi, la gaine change de conformation se raccourci. Le tube centrale perce la paroi et atteint la membrane plasmique de la bactérie au niveau de pore. L ADN présent dans la tête du phageest injecté dans le cytoplasme bactérien. Document 2c et 2d commentaires Légende : placer la phase d éclipse (avant que les virions ne soient libres) définition : phase succédant l infection pendant laquelle il y a de nombreuses synthèses mais aucun virion! la phase de libération Phase d éclipse : - Destruction du chromosome bactérien :les structures cellulaires restent fonctionnelles au service du phage. - Synthèse des constituants précoces : ARNm, Protéines précoces nécessaire à la réplication virale - Synthèse d ADN virale - Synthèse de protéines de structures du virus (Tête et queue) grâce aux ribosomes de la bactérie mais avec l ADN du phage. Phase d assemblage et de libération - Les protéines du phage s assemblent et emprisonne l ADN phagique. Le nombre de phage augmente linéairement - La bactérie éclate et libère sont contenu, toutes les synthèses s arrêtent alors. Le cycle lysogénique Documents 3 Légende : virus= phage tempéré, ADN, bactérie hôte Repérer le cycle lysogénique (à Droite) et lytique (à gauche) Nom des étapes : Adsorption Décapsidation et injection de l ADN dans le cytoplasme bactérien Gauche Droite Synthèse de l ADN, des prot virales intégration de l ADN du phage (prophage ) dans l ADN bactérien Assemblage MULTIPLICATION BACT2RIENNE Libération des virions par lyse Dans certaines cellules le phage tempéré déclenche un cycle lytique (voir avt) Dans d autres cellules, les bactéries ne sont pas détruites et le génome du phage s intègre au chromosome bactérien sous forme de prophage : cest bactéries sont dites lysogènes. Lors de la multiplication des bactéries lysogènes, le génome virale est répliquée en meme temps que le génome bactérien Exemple classique phage lambda et E.coli L équilibre entre le prophage et le génome bactérien dans les bactéries lysogène peut être rompu sous l effet d inducteurs (ex UV), le cycle devient alors lytique.
III-Comment les phages peuvent-ils transférer du matériel génétique d une bactérie donneuse à une bactérie receveuse? Activité 2 (Retravaillé en ETLV : animation Mac graw hill) Compléter le tableau comparatif suivant de ces deux phénomènes (phage acteurs (nombre et nature, cycle viral ), mode d intégration du nouveau gène chez la bactérie receveuse) Phage(s) acteurs, (pour chaque phage indiquer la bactérie infectée et le cycle viral) Mode d intégration du nouveau gène dans la bactérie receveuse Justification du nom de la transduction Transduction généralisée Un phage lytique infecte la bactérie A, cycle lytique Un phage défectif contenant un gène de la bactérie A infecte la bactérie B, sans cycle Recombinaison homologue N importe quel gène de la bactérie A peut-être transmis Transduction restreinte Un phage tempéré infecte la bactérie A, cycle lysogénique puis lytique après induction Phage de la surinfection de la bactérie A, cycle lytique Phage défectif contenant des gènes de la bactérie A qui infecte la bactérie B Grâce à l intégration des gènes du prophage Seuls les gènes à proximité du site d intégration du phage lysogénique dans le chromosome peuvent être transmis
III- Analyse de situations : Les bactériophages en biotechnologies Activité 2 -A l aide des études de cas, compléter la deuxième colonne dans le tableau -Indiquer dans la troisième colonne le domaine d application en biotechnologie, et si la présence ou l utilisation de bactériophage est un avantage ou un inconvénient pour les biotechnologies, indiquer le domaine d application - Enfin compléter la première colonne du tableau en indiquant les propriétés des bactériophages impliquées. Propriétés des bactériophages La présence de bactériophage, indique la présence de bactéries Les bactériophages provoquent, lors de cycles de reproduction lytique qui entraine la mort par lyse des bactéries Les bactériophages permettent de transférer du matériel génétique d une bactérie à l autre Conséquences en biotechnologies Cas 1 : Les bactériophages sont des virus. Les virus sont des parasites, la présence de l hôte est nécessaire pour leur reproduction. Si il y a des bactériophages dans un milieu, il y a obligatoirement présence de bactéries spécifiques Cas2 Les bactériophages peuvent contaminer des levains (industrie fromagère). Les bactériophages détruisent les bactéries des levains. Il n y a pas assez de bactéries pour la fermentation. Cas 3 : Les bactériophages permettent de classer les bactéries selon leur lysotype Les bactériophages ne lysent qu une ou (des) souche(s) bactérienne(s) qui possèdent des récepteurs de surface donnés. Les phages sont donc spécifiques de souches bactériennes: on peut donc classer les souches bactériennes selon le type de bactériophage capable de les lyser (Lysotypie) Cas : 4 Les bactériophages peuvent lyser des bactéries pathogènes et stopper une infection. Cas 7 :Les phages sont responsables de transduction restreinte et généralisée. Ils peuvent donc transférer des gènes synthétisant des toxines peptidiques ou protéiques d une bactérie donneuse à une bactérie receveuse. La bactérie receveuse devient donc plus pathogène Cas 5 Les bactéries sont responsables de transduction restreinte et généralisée. Il est donc possible de modifier génétiquement une bactérie. Avantage ou inconvénient pour les biotechnologies Avantage : Environnement Indicateur de contamination fécale en contrôle microbiologique de l eau Inconvénients Domaine : alimentaire, type d activité : bioproduction Avantage Domaine : tous Type d activité : classification et identification de souche Avantage Médicale, pharmaceutique Inconvénients En médicale : création de nouvelles propriétés telles que synthèse de toxine Avantage : Application en biologie moléculaire : création de bactéries génétiquement modifiés