BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE Série : Sciences et Technologies de Laboratoire Spécialité : Biotechnologies SESSION 2013 Sous-épreuve écrite de Biotechnologies Coefficient de la sous-épreuve : 4 Ce sujet est prévu pour être traité en deux heures. Les sujets de CBSV et de biotechnologies seront traités sur des copies séparées. L usage de la calculatrice est autorisé. Ce sujet comporte 7 pages. Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 1/7
RECHERCHE DE LA CAUSE D UN SYNDROME HÉMOLYTIQUE URÉMIQUE * En juin 2008, à la suite d un repas pris à la cantine d une école maternelle, trois enfants ont été hospitalisés, suite à une gastro-entérite aiguë et des signes d insuffisance rénale, évoquant un syndrome hémolytique et urémique (SHU). Ce syndrome est le plus souvent provoqué par la shigatoxine de E. coli O157:H7. De nombreux examens sont réalisés à partir de prélèvements effectués sur ces trois enfants (1, 2 et 3), entre autres : - un dosage de la créatinine dans le plasma, permettant la mise en évidence de l insuffisance rénale ; - une recherche de E. coli O157:H7 dans les selles des enfants. En parallèle, la présence de la bactérie E. coli O157:H7 est recherchée dans les aliments consommés par les enfants. L ensemble de ces examens permettra de confirmer un SHU et de déterminer si l infection est bien d origine alimentaire. * Le syndrome hémolytique et urémique est une affection qui débute par une gastro-entérite avec diarrhée, et qui se caractérise, par une anémie due à une hémolyse et une insuffisance rénale. 1. DIAGNOSTIC DE L INSUFFISANCE RÉNALE Un prélèvement sanguin de chacun des trois enfants est analysé au laboratoire d analyses médicales. Le document 1 présente la fiche technique du coffret de dosage de la créatinine par une méthode enzymatique en point final. 1.1. Principe du dosage de la créatinine Q1. Identifier l enzyme catalysant la réaction principale, sachant que celle-ci a pour substrat la molécule biologique à doser. Le document 2 présente les spectres d absorption du NAD + et du NADH. Q2 Expliquer comment est choisie la longueur d onde de 340 nm utilisée pour la lecture de l absorbance en exploitant les documents 1 et 2. Q3. Déduire du document 1, l évolution de la concentration de NADH en fonction du temps au cours du dosage. Q4. Expliquer alors les différents termes de l appellation «dosage de substrat par méthode enzymatique en point final», à l aide du document 1. 1.2. Résultats Le dosage de la créatinine est réalisé pour les trois enfants hospitalisés. Les indications obtenues sont présentées dans le document 3. Q5. À l aide des documents 1 et 3, calculer la différence d absorbance A essai A témoin dans chacun des cas, et expliquer le signe de cette différence. Q6. Pour chacun des enfants, établir les équations aux valeurs numériques et calculer la concentration molaire de la créatinine dans le plasma en utilisant les documents 1 et 3. Comparer les valeurs mesurées pour chaque enfant aux valeurs physiologiques et conclure si chaque enfant présente une insuffisance rénale. Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 2/7
2. RECHERCHE DE E. COLI O157:H7 PAR PCR (POLYMERASE CHAIN REACTION) En parallèle de l analyse sanguine, la recherche de la bactérie E. coli O157:H7 est effectuée dans les selles des trois enfants. Afin de détecter la présence et d identifier cette souche bactérienne, cinq PCR permettant d amplifier le gène codant la shiga-toxine spécifique d E. coli O157:H7 sont réalisées simultanément dans cinq tubes. - PCR témoin positif : gène de la shiga-toxine, amorces et réactifs nécessaires ; - PCR témoin négatif : génome d E coli non pathogène, amorces et réactifs nécessaires ; - PCR essais enfant 1, enfant 2, enfant 3 : selles, amorces, et réactifs nécessaires. Les produits d amplification sont ensuite analysés par électrophorèse sur gel d agarose, après mélange avec du tampon de charge, dépôt et migration. La photographie de l électrophorégramme obtenu est présentée dans le document 4. Q7. Schématiser l électrophorégramme du document 4, et expliquer le résultat obtenu pour le marqueur de taille, présentant différents fragments d ADN. Q8. Expliquer alors le rôle des deux pistes «M». Q9. Exploiter les résultats obtenus pour les témoins, puis analyser les résultats des trois essais C, D et E. Q10. Conclure sur la présence du gène de la shiga-toxine puis sur la présence de la bactérie E.coli O157:H7 dans les selles de chaque enfant. 3. RECHERCHE DE E. COLI O157:H7 DANS LES ALIMENTS CONSOMMÉS PAR LES ENFANTS En parallèle des examens médicaux, une enquête est menée pour déceler l aliment incriminé dans l infection. Un lot de steaks hachés surgelés consommés par les enfants 1 et 3 est suspecté. Le laboratoire de microbiologie alimentaire de l ANSES (agence nationale de sécurité sanitaire) est chargé d effectuer les contrôles. Le document 5 présente la démarche d analyse normalisée employée pour rechercher E. coli O157:H7 dans un aliment. Q11. Expliquer l intérêt de l étape d ensemencement sur milieu sélectif (étape 2). L étape 4 du document 5 permet d établir le profil biochimique des bactéries suspectes. Les cupules «GLU» et «SOR» de la galerie utilisée pour identifier la souche contiennent respectivement du glucose ou du sorbitol dans le milieu de culture et un indicateur coloré de ph, le bleu de bromothymol. Les bactéries suspectes fermentent le glucose et ne fermentent pas le sorbitol. Q12. Indiquer et expliquer la couleur attendue dans chacune de ces deux cupules pour les bactéries suspectes en utilisant les données du document 6. À l issue de l étape 4 (document 5), le laboratoire recherche les antigènes O157 et H7 sur les bactéries suspectes. Le document 7 présente les réactifs utilisés lors de la première étape du sérotypage pour l identification de l antigène O d E.coli. Q13. Analyser la composition des réactifs du document 7 afin d en déduire la composition qualitative d un témoin positif (présence d une agglutination) et d un témoin négatif (absence d une agglutination). Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 3/7
Q14. Schématiser la réaction de ce test d agglutination sur lame : - pour une réaction mettant en évidence E. coli O157:H7 (présence d une agglutination) ; - pour une réaction mettant en évidence une souche d E. coli non O157 (absence d une agglutination). La première étape du sérotypage a conclu à la présence de l antigène O157. Dans un deuxième temps, l antigène H7 a été mis en évidence pour la souche d E. coli isolée du lot de steak haché. Une toxi-infection alimentaire collective (TIAC) se caractérise par au moins deux personnes présentant les mêmes symptômes gastro-intestinaux avec une même origine alimentaire. Q15. Rédiger une synthèse permettant de confirmer le diagnostic de SHU et de conclure à une TIAC en utilisant les mots-clés : «insuffisance rénale», «créatinine», «shiga-toxine», «E. coli O157:H7», «steak haché», «gène». Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 4/7
DOCUMENT 1 : Fiche technique du coffret de dosage de la créatinine APPLICATION : Ce coffret est destiné au dosage de la créatinine dans les liquides biologiques (sérum, plasma hépariné, urine). PRINCIPE : Le dosage de la créatinine dans l échantillon, nécessite que cette molécule soit entièrement consommée grâce aux réactions mises en jeu, celles-ci doivent donc être totalement déplacées vers la droite. Il est nécessaire d attendre la fin de la réaction pour effectuer le mesurage. Réactions mises en jeu : Créatininase (1) créatinine + H 2 O créatine Créatine kinase (2) créatine + ATP phosphocréatine + ADP (3) ADP + phosphoénolpyruvate (PEP) pyruvate + ATP Lactate déshydrogénase (4) Pyruvate + NADH + H + lactate + NAD + La diminution de l absorbance du mélange réactionnel est mesurée à 340 nm. PROCÉDURE : Solution réactionnelle : (ATP, pyruvate, NADH,H + en excès), enzymes en quantité suffisante. Préparation des mélanges réactionnels : Témoin réactif Essai Échantillon (ml) -- 0,1 Eau distillée (ml) 0,1 -- Solution réactionnelle (ml) 1,0 1,0 Homogénéiser, attendre 30 minutes au moins. Ajuster le zéro du spectrophotomètre sur l air et lire l absorbance du témoin réactif et absorbance de l essai. CALCULS : c (créatinine, échantillon) = K x A essai A témoin avec K = 1746 µmol.l -1 VALEURS PHYSIOLOGIQUES dans le plasma : Homme : 65-120 µmol/l Femme : 53-100 µmol.l -1 Enfant : 18-88 µmol.l -1 En cas d insuffisance rénale, le taux de créatinine dans le plasma est augmenté. Limite de détection : c (créatinine, échantillon) = 17,5 µmol.l -1 Limite de linéarité : c (créatinine, échantillon) = 850 µmol.l -1 Stabilité des réactifs : 9 mois stockés entre 0 et 5 C DOCUMENT 2 : Spectres d absorption du NADH et du NAD + Les deux solutions sont à la même concentration. Absorbance solution contre blanc Pyruvate kinase NAD + NADH 0 220 250 280 310 340 370 λ en nm Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 5/7
DOCUMENT 3 : Indications obtenues lors du dosage de la créatinine par méthode enzymatique Témoin réactif Enfant 1 Enfant 2 Enfant 3 A lue contre l air à 340nm 1,858 1,731 1,826 1,746 DOCUMENT 4 : Électrophorégramme des fragments d ADN amplifiés L électrophorèse sur gel d agarose permet de séparer les fragments d ADN chargés négativement. CATHODE 506 pb 396 pb 344 pb 298 pb 220 pb ANODE Légende : M : Marqueur de taille (en paire de bases (pb)) Piste A : Témoin positif Piste B : Témoin négatif Piste C : Essai «enfant 1» Piste D : Essai «enfant 2» Piste E : Essai «enfant 3» Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 6/7
DOCUMENT 5 : Recherche de E. coli O157:H7 dans un aliment selon la norme NF EN ISO 16654 (juillet 2001) D après «Microbiologie Alimentaire», Joffin et Joffin, 2010 Document n 6 : Échelle de ph et zone de virage du bleu de bromothymol (BBT) Zone de ph ph < 6,0 6,0 < ph < 7,6 ph > 7,6 Couleur du milieu contenant du BBT Jaune Vert Bleu Document n 7 : Composition des réactifs utilisés pour la première étape du sérotypage de E. coli O157 Réactif 1 : Particules de latex sensibilisées avec des IgG purifiées de lapin dirigées contre l antigène O157 d E. coli. Les particules sont en suspension dans un tampon contenant 0,098% d azide de sodium (agent conservateur) Réactif 2 : suspension de E. coli O157 + inactivées Réactif 3 : suspension de E. coli O157 inactivées Exemple de Sujet et grille d évaluation d écrit de Biotechnologies décembre 2012 Page : 7/7
BACCALAURÉAT STL SPÉCIALITÉ : BIOTECHNOLOGIES SOUS-ÉPREUVE DE BIOTECHNOLOGIES SESSION 2013 REPÈRES ÉLÉMENTS D ÉVALUATION C1 Extraire informations C2 Analyser documents C3 Expliquer démarche C4 Argumenter réponse C5 Construire synthèse C6 Expression écrite I A M I A M I A M I A M I A M I A M Q1 Extrait l enzyme de la réaction principale : créatininase et Identifie la créatinine comme substrat à doser. Q2 Explique : 340 nm = longueur d onde d absorption maximale du NADH pour laquelle le NAD+ n absorbe pas Q3 Explique la diminution de la concentration en NADH dans le milieu réactionnel en faisant le lien avec la consommation de NADH lors la dernière réaction ce qui provoque la diminution de l absorbance du milieu réactionnel Q4 Extrait l indication 30 min au moins, fait le lien entre «temps suffisant long» et point final dosage de substrat : la créatinine est le substrat, totalement consommée par une réaction enzymatique (créatininase) Calcule les valeurs A témoin - A essai Q5 Explique les valeurs négatives avec A témoin > A essai : dans le témoin, le NADH initialement présent est non consommé (donc absorbance élevée), alors qu il est consommé dans l essai lors de la réaction 4 (donc absorbance diminue) Extrait du document 1 l équation aux grandeurs et établit les équations aux valeurs numériques l équation aux unités correspondante [créatinine] enfant 1 = 222 µmol.l [creatinine] enfant 2 = 56 µmol.l -1 [creatinine] enfant 3 = 196 µmol.l -1 Extrait les valeurs physiologiques pour un enfant Q6 Compare et déduit (argumente) : Enfants 1 et 3 : valeurs supérieures aux valeurs physiologiques pour un enfant Enfant 2 : valeur comprises dans les valeurs physiologiques Synthétise les réponses et conclut une insuffisance rénale possible pour 1 et 3 Q7 Analyse le document 4 pour faire le lien entre la taille des différents fragments du marqueur de taille et la vitesse de migration : les fragments d ADN de taille élevée migrent plus lentement que les fragments d ADN de taille faible. Q8 Argumente que les pistes M sont une échelle de référence servant à l identification des fragments par leur taille Analyse le document 4 Extrait les informations et explique : - Témoin positif : présence d une bande qui indique que le fragment d ADN de la shiga-toxine a bien été amplifié. Q9 - Témoin négatif : absence d une bande qui permet de montrer que l amplification est spécifique : - Identifie les fragments d ADN des enfants 1 et 3, de même taille que le témoin positif car migrant à la même distance - Repère l absence de fragment pour l enfant 2 Q10 Conclut en synthétisant les informations précédentes sur la présence de E. coli O157:H7 dans les selles des enfants 1 et 3 Q11 Explique l intérêt de l ensemencement d un milieu sélectif : inhiber la croissance de la plupart des micro-organismes et ne permettre la croissance que d un groupe de micro-organismes dont fait partie E.coli. Q12 Explique : utilisation du glucose ou du sorbitol par fermentation acidification virage BBT au jaune / pas de fermentation pas acidication (ph > 6,0) GLU + : jaune car milieu acide SOR - : vert ou bleu car milieu non acide Analyse la composition des réactifs du document 7 - Le réactif 1 apporte les anticorps dirigés contre l antigène O157 d E.coli fixés dans sur des particules solides (particules de latex) Q13 - Le réactif 2 apporte les E.coli qui présentent dans leur paroi l antigène O157. - Le réactif 3 apporte des E.coli qui ne présentent pas dans leur paroi l antigène O157 - T positif : réactif 1 (billes latex sensibilisées) + réactif 2 (E. coli O157 + ) Tnégatif : réactif 1 (billes latex sensibilisées) + réactif 3 (E. coli O157 ) Q14 Analyse le document 7 et synthétise sous forme de schéma 1 rappelle insuffisance rénale confirmée par le dosage de la créatinine pour les enfants 1 et 3 2 rappelle présence de E. coli O 157:H7 dans les selles des enfants 1 et 3 Q15 3 rappelle identification de E. coli O 157:H7 dans steak haché Argumente et conclut sur le diagnostic de SHU et sur la TIAC : lien steak haché contaminé SHU (enfants 1 et 3) Enfant 2 : pas de SHU, pas de E. coli dans les selles symptômes dus à autre chose? NB : l ordre des arguments est au choix du candidat 20 5 5 3 3 3 1 Exemple de grille d évaluation d un sujet de Biotechnologies réalisé par les commissions d élaboration de sujets SIEC - décembre 2012