Étude de cas 1 :Des bactéries se transfèrent la résistance à des antibiotiques ! Mais comment ?...
La probabilité d'obtenir par mutation des bactéries résistantes à deux antibiotiques (doubles mutants) est égale au produit de la probabilité d'apparition de chacune des mutations considérées indépendamment (soit10E-12 à 10E−18). Cela devrait donc être exceptionnel. Pourtant on observe souvent des souches résistantes à plusieurs antibiotiques.
Document 1 : Histoire des sciences
Les expériences de Frederick Griffith (1879-1941).
Ce microbiogiste anglais étudiait les pneumocoques, des bactéries responsables de la pneumonie. Il disposait de pneumocoques virulents (souche S) et de pneumoncoques non virulents (souche R). Les résultats des expériences décrites ci-dessous, publiés en 1928, amènent Griffith à postuler l'existence, chez les pneumocoques S, d'un facteur capable
de transformer les pneumocoques R en pneumocoques S.
Les expériences d'Avery et Mac Leod (1944).
Dans les années 1940, la nature chimique du matériel génétique fait encore l'objet de recherches intensives. Dans ce contexte, Avery et Mac Leod réalisent les expériences ci-dessous. Leur protocole tire parti des progrès des cultures cellulaires in vitro et de la caractérisation de deux acides nucléiques : l'ADN dans les années 1930 et l'ARN au début des années 1940.
Document 2 : Les modalités de transferts de gènes chez les bactéries
La transformation est le mécanisme responsable des observations de Griffith. La transduction implique les virus de bactéries, ou phages, qui se multiplient dans une bactérie donneuse qu'ils finissent par tuer. Certains bactériophages peuvent incorporer des fragments de génome bactérien à leur propre génome. La conjugaison implique l'échange de petites molécules d'ADN circulaire appelées plasmides, qui sont distinctes du chromosome bactérien. On estime que jusqu'à 30 % des génomes bactériens sont hérités de transferts horizontaux*, principalement entre bactéries vivant dans les mêmes milieux.
* Le transfert horizontal est la transmission de gènes par des voies autres que l’héritage du matériel génétique d’un ancêtre à sa descendance. Il s’agit du transfert direct de gènes entre deux espèces en l'absence de toute reproduction.
La conjugaison bactérienne observée au microscope électronique
https://youtu.be/Sqr39xbDPS4
Réaliser le quizz interactif présent sur l'ENT Moodle > chapitre 3 afin de vérifier que vous avez bien exploiter et compris ces 2 documents.
Document 3 : La résistance de la bactérie Acinetobacter baumanii aux antibiotiques.
Acinetobacter baumanii est l'une des principales bactéries responsables d'infections nosocomiales (contractées en milieu hospitalier) chez les patients affaiblis. Elle cause notamment des pneumonies (mortalité des patients : 70 %). A. baumanii est également une bactérie « prédatrice » : elle peut tuer et lyser des bactéries d'autres espèces présentes dans son milieu de vie. Plus de 60 % des souches d'A. baumanii à l'origine d'infections nosocomiales sont résistantes à de nombreux antibiotiques.
Évolution de la résistance à l'imipenem à Taïwan
Localisation des gènes de résistance chez 42 souches résistantes
Document 4 : Une expérience de transfert de résistance aux antibiotiques entre deux bactéries (2017).
Les chercheurs disposaient d'une souche de bactéries Escherichia coli résistante à la kanamycine et d'une souche de bactéries Acinetobacter baumanii résistante à la tétracycline. Ils ont procédé à trois expériences : culture de E. coli seule (exp. 1), culture de A. baumanii seule (exp. 2), co-culture de E. coli et A. baumanii (exp. 3). Après 19 heures, de culture (ou co-culture), ils ont dénombré les différentes bactéries et étudié leur résistance à chacun des antibiotiques.
Document 5 : Bactéries résistantes, de l'élevage à l'assiette
Étude de cas 2 : La transgénèse est une biotechnologie.
Mais il existerait aussi une « transgénèse naturelle » ... Comment est-ce possible ?
Document 1 : La transgénèse bactérienne, un transfert horizontal de gènes* au service de la santé humaine
*Le transfert horizontal est la transmission de gènes par des voies autres que l’héritage du matériel génétique d’un ancêtre à sa descendance. Il s’agit du transfert direct de gènes entre deux espèces en l'absence de toute reproduction.
Exemple : La production d'insuline humaine grâce aux bactéries.
Depuis les années 1980, l'insuline humaine utilisée pour le traitement du diabète est produite grâce à des bactéries transformées. L'Homme utilise les propriétés des plasmides (voir étude de cas 1) afin de les utiliser comme vecteurs pour transférer des gènes.
Document 2 : La mise en place du placenta* lors d’une grossesse chez les primates.
*placenta : structure cellulaire constituant une zone d’échanges (nutriments, dioxygène et déchets) entre le sang maternel mère et le sang du fœtus.
Lors de l’implantation de l’embryon dans la paroi de l’utérus, certaines cellules de l’embryon fusionnent entre elles. Ces phénomènes de fusion cellulaire conduisent à la formation de structures géantes constituées par la réunion de cellules individuelles en une seule « nappe » cellulaire multinucléée formant un tissu le syncytium (ébauche du placenta). Une protéine pourrait être responsable de ce phénomène de fusion cellulaire : la syncytine.
Ce phénomène de fusion cellulaire est une propriété qui existe principalement chez les virus. Pour pénétrer et infecter une cellule, l’enveloppe du virus fusionne avec la membrane de la cellule.
Les chercheurs ont donc émis comme hypothèse que la protéine syncytine avait une origine virale.
Comparaison d’une portion de la syncytine humaine avec une protéine de l’enveloppe d’un virus.
Le pourcentage de ressemblances calculé à partir d’Anagène est de 94, 7%.
Document 3 : L'importance des échanges génétiques par transfert horizontal dans l'évolution des êtres vivants
Les scientifiques estiment que 8% à 10% de notre génome est d’origine virale.
Consulter le logiciel d’analyse du génome humain, (Mapviewer) :
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/gdv
Visualiser les séquences virales : (taper viral dans la recherche dans la fenêtre de droite) dans le génome humain.
Mais les transferts horizontaux en provenance d'autres espèces existent aussi...
Document 4 : Décrire l'étendue des transferts horizontaux
Document 5 :
Étude de cas 3 : L’endosymbiose, un mécanisme créateur de nouvelles espèces ?
Document 1 : Les coraux, des animaux photosynthétiques
Document 2 : Les endosymbioses et l'origine des cellules eucaryotes
Partie 1 du TP 9 à intégrer dans votre travail
- Comme les cellules végétales photosynthétiques actuelles, nos cellules humaines eucaryotes comme toutes les cellules animales hébergent d'anciennes bactéries...
-Position du génome des mitochondries et des chloroplastes au sein de l'arbre phylogénétique (de parenté)du vivant.
Cet arbre a été obtenu par comparaison de la séquence de certains gènes présents chez tous les êtres vivants. Les chloroplastes et les mitochondries proviennent de cellules de maïs. La comparaison des séquences d'ADN montre une ressemblance avec l'ADN d'α-protéobactéries pour l'ADN des mitochondries et avec l'ADN de cyanobactéries pour l'ADN des chloroplastes. Ces données ont été confirmées chez d'autres êtres vivants eucaryotes.
Étude de cas 4 : Une hérédité cytoplasmique des caractères...Comment est-ce possible ?
Les cellules eucaryotes possèdent, outre le génome nucléaire, un deuxième système génétique constitué par les génomes des organites tels que les mitochondries et les chloroplastes. Ces organites sont d'anciennes bactéries phagocytés par des cellules eucaryotes et qui ont établi une relation symbiotique (endosymbiose cf étude de cas 3).
-Histoire des sciences : Comment a été découverte cette hérédité cytoplasmique ?
-Une hérédité mitochondriale :
Les mitochondries sont les organites où se déroulent la respiration cellulaire. Chaque cellule renferme, dans son cytoplasme, plusieurs dizaines ou centaines de mitochondries qui se divisent indépendamment du noyau et sont réparties au hasard lors des divisions cellulaires.
Lors de la fécondation, le spermatozoïde apporte un noyau d'origine paternelle qui va fusionner avec le noyau de l'ovule, d'origine maternelle, mais le cytoplasme de la cellule oeuf ainsi réalisé est exclusivement d'origine maternelle.Par conséquent les maladies mitochondriales sont des maladies à transmission maternelle exclusive (mode de transmission non mendélien, extrachromosomique).
- Les conséquences de cette endosymbiose dans la reproduction des plantes à fleurs : La stérilité mâle mitochondriale
Comme pour les Hommes, les organites, chloroplastes et mitochondries présents dans le gamète mâle (pollen) ne seront pas transmis à la descendance. Des mutations dans le génome des mitochondries de l'ovule entraîne une fleur sans étamines (organes reproducteurs mâles).
Exemple : Plants de thym (Thymus vulgaris) hermaphrodites (avec étamines, à gauche) et mâle-stérile (sans étamines, à droite) par suite de la présence de mitochondries mâles-stérilisantes. Les fleurs des plantes mâles-stériles sont souvent plus petites car le dépôt d’une quantité de pollen suffisant à féconder les ovules nécessite moins de visites que, dans les fleurs hermaphrodites : cela sélectionne des fleurs moins visibles, donc moins coûteuses. © Cliché M.-A. Selosse.
Ceci provoque donc, comme chez le thym, l’apparition d’individus sans pollen ni étamine : mais au bout de quelques temps, lorsque la stérilité mâle devient abondante puisque les mitochondries responsables sont plus nombreuses, le pollen devient plus rare. Les plantes qui produisent encore du pollen ont alors un avantage au niveau des gènes nucléaires : elles sont "pères" de beaucoup de descendants. Cela ne profite pas à leurs mitochondries, certes, mais du point de vue des gènes du noyau, il vaut alors mieux être dans un grain de pollen. Donc, quand la stérilité mâle devient fréquente, toute mutation nucléaire qui restaure la fertilité mâle en bloquant le mécanisme stérilisant est sélectionnée. On a donc des conflits entre l'information génétique du noyau et celle des mitochondries.
Mais les couples mutation stérilisante mitochondriale/ gène nucléaire restaurateur correspondant ne sont pas les mêmes entre espèces proches, ou entre populations. Cette stérilité contribue à limiter les échanges génétiques entre deux espèces ou deux populations, car elle génère des descendants à vigueur reproductive moindre. Elle instaure donc un isolement reproducteur, prémice à la création de nouvelles espèces.
Cette stérilité mâle a des applications agro-alimentaires : https://www.gnis-pedagogie.org/sujet/sterilite-male-cytoplasmique/