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Comment rechercher des organismes selon des critères tels que le substrat de croissance et les métabolites de débordement ?

Comment rechercher des organismes selon des critères tels que le substrat de croissance et les métabolites de débordement ?


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Je recherche une base de données ou un moyen systématique de rechercher des organismes répondant à certains critères. Mes critères d'importance décroissante sont :

  • substrat de croissance
  • chimiolithoautotrophie (sur quel substrat)
  • métabolite de débordement
  • méthanogène
  • Fixation de l'azote

Existe-t-il une base de données / d'autres moyens de trouver ces informations autres que le creusement manuel ?

J'ai essayé la taxonomie NCBI, LINNAEUS, uBio, KEGG, organization-tagger et autres, mais ceux-ci ne semblent pas être capables de ce genre de requête. Ils semblent tous exiger le nom de l'organisme pour commencer. Mais peut-être que j'ai raté quelque chose ?

merci pour toutes les astuces.

Ingvar


Certains des critères, je suppose, sont difficiles à trouver (également à cause de mon manque de compréhension de ces termes). Pour le reste, vous pouvez rechercher ces bases de données : -

  • Substrat de croissance : Je ne sais pas vraiment ce que vous demandez ici - taux de croissance dans un support minimal/milieu de croissance optimal ? Néanmoins, voir la base de données des médias
  • Méthanogenèse : Table Orthologue - MODULE KEGG M00567
  • Fixation d'azote : Table Orthologue - KEGG MODULE M00175

Comment rechercher des organismes par des critères tels que le substrat de croissance et les métabolites de débordement ? - La biologie

Figure 1. Certains procaryotes peuvent vivre dans des environnements extrêmes comme la piscine Morning Glory, une source chaude du parc national de Yellowstone. La couleur bleu vif de la source provient des procaryotes qui prospèrent dans ses eaux très chaudes. (crédit : modification de l'œuvre par Jon Sullivan)

Dans un passé récent, les scientifiques ont regroupé les êtres vivants en cinq règnes (animaux, plantes, champignons, protistes et procaryotes) sur la base de plusieurs critères, tels que l'absence ou la présence d'un noyau et d'autres organites liés à la membrane, l'absence ou la présence de parois cellulaires, multicellularité, etc. À la fin du 20e siècle, les travaux pionniers de Carl Woese et d'autres ont comparé des séquences d'ARN ribosomique de petite sous-unité (ARNr SSU), ce qui a permis de trouver un moyen plus fondamental de regrouper les organismes sur Terre. Sur la base des différences dans la structure des membranes cellulaires et dans l'ARNr, Woese et ses collègues ont proposé que toute vie sur Terre évoluait selon trois lignées, appelées domaines. Le domaine Bactéries comprend tous les organismes du règne Bactéries, le domaine Archaea comprend le reste des procaryotes et le domaine Eukarya comprend tous les eucaryotes, y compris les organismes des règnes Animalia, Plantae, Fungi et Protista.

Deux des trois domaines, les bactéries et les archées, sont procaryotes. Les procaryotes ont été les premiers habitants de la Terre, apparaissant il y a 3,5 à 3,8 milliards d'années. Ces organismes sont abondants et omniprésents, c'est-à-dire qu'ils sont présents partout. En plus d'habiter des environnements modérés, ils se trouvent dans des conditions extrêmes : des sources bouillantes aux environnements gelés en permanence en Antarctique, des environnements salés comme la mer Morte aux environnements soumis à une pression énorme, tels que les profondeurs de l'océan et des zones sans oxygène, telles que en tant qu'usine de gestion des déchets, aux régions contaminées par la radioactivité, comme Tchernobyl. Les procaryotes résident dans le système digestif humain et sur la peau, sont responsables de certaines maladies et jouent un rôle important dans la préparation de nombreux aliments.

Objectifs d'apprentissage

  • Décrire l'histoire évolutive des procaryotes
  • Discuter des caractéristiques distinctives des extrêmophiles
  • Comprendre pourquoi il est difficile de cultiver des procaryotes
  • Expliquez pourquoi les procaryotes forment souvent des biofilms

Procaryotes, les premiers habitants de la Terre

Quand et où la vie a-t-elle commencé ? Quelles étaient les conditions sur Terre au début de la vie ? Les procaryotes ont été les premières formes de vie sur Terre, et ils ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. On pense que la Terre et sa lune ont environ 4,54 milliards d'années. Cette estimation est basée sur des preuves de datation radiométrique de matériel météoritique ainsi que d'autres matériaux de substrat de la Terre et de la Lune. La Terre primitive avait une atmosphère très différente (contenait moins d'oxygène moléculaire) qu'aujourd'hui et était soumise à de fortes radiations. Ainsi, les premiers organismes auraient prospéré là où ils étaient mieux protégés, comme dans les profondeurs océaniques ou sous la surface de la Terre. A cette époque aussi, une forte activité volcanique était courante sur Terre, il est donc probable que ces premiers organismes, les premiers procaryotes, se soient adaptés à des températures très élevées. La Terre primitive était sujette à des bouleversements géologiques et à des éruptions volcaniques, et était soumise au bombardement par les radiations mutagènes du soleil. Les premiers organismes étaient des procaryotes capables de résister à ces conditions difficiles.

Tapis microbiens

Les tapis microbiens ou les grands biofilms peuvent représenter les premières formes de vie sur Terre, il existe des preuves fossiles de leur présence commençant il y a environ 3,5 milliards d'années. UNE tapis microbien est une feuille multicouche de procaryotes (Figure 1) qui comprend principalement des bactéries, mais aussi des archées. Les tapis microbiens ont quelques centimètres d'épaisseur et se développent généralement là où différents types de matériaux s'interfacent, principalement sur des surfaces humides. Les différents types de procaryotes qui les composent effectuent différentes voies métaboliques, et c'est la raison de leurs différentes couleurs. Les procaryotes dans un tapis microbien sont maintenus ensemble par une substance collante ressemblant à de la colle qu'ils sécrètent appelée matrice extracellulaire.

Les premiers tapis microbiens ont probablement obtenu leur énergie à partir de produits chimiques trouvés près des sources hydrothermales. UNE bouche hydrothermale est une rupture ou une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie. Avec l'évolution de la photosynthèse il y a environ 3 milliards d'années, certains procaryotes des tapis microbiens en sont venus à utiliser une source d'énergie plus largement disponible - la lumière du soleil - tandis que d'autres dépendaient encore des produits chimiques des sources hydrothermales pour l'énergie et la nourriture.

Figure 1. Ce (a) tapis microbien, d'environ un mètre de diamètre, se développe au-dessus d'un évent hydrothermal dans l'océan Pacifique dans une région connue sous le nom de « Ceinture de feu du Pacifique ». Le tapis aide à retenir les nutriments microbiens. Les cheminées telles que celle indiquée par la flèche permettent aux gaz de s'échapper. (b) Dans cette micrographie, les bactéries sont visualisées par microscopie à fluorescence. (crédit a : modification du travail par le Dr Bob Embley, NOAA PMEL, scientifique en chef crédit b : modification du travail par Ricardo Murga, Rodney Donlan, données de la barre d'échelle CDC de Matt Russell)

Stromatolites

Les tapis microbiens fossilisés représentent le premier enregistrement de la vie sur Terre. UNE stromatolite est une structure sédimentaire formée lorsque des minéraux sont précipités hors de l'eau par des procaryotes dans un tapis microbien (Figure 2). Les stromatolites forment des roches stratifiées constituées de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites en croissance ont été trouvés dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego dans le comté de San Diego, en Californie.

Figure 2. (a) Ces stromatolites vivants sont situés à Shark Bay, en Australie. (b) Ces stromatolites fossilisés, trouvés dans le Glacier National Park, Montana, ont près de 1,5 milliard d'années. (crédit a : Robert Young crédit b : P. Carrara, NPS)

L'atmosphère antique

Figure 3. Cette source chaude du parc national de Yellowstone coule vers le premier plan. Les cyanobactéries au printemps sont vertes et, à mesure que l'eau descend le gradient, l'intensité de la couleur augmente à mesure que la densité cellulaire augmente. L'eau est plus froide sur les bords du ruisseau qu'au centre, ce qui fait que les bords semblent plus verts. (crédit : Graciela Brelles-Mariño)

Les preuves indiquent que pendant les deux premiers milliards d'années de l'existence de la Terre, l'atmosphère était anoxique, ce qui signifie qu'il n'y avait pas d'oxygène moléculaire. Par conséquent, seuls les organismes qui peuvent se développer sans oxygène—anaérobie organismes - étaient capables de vivre. Les organismes autotrophes qui convertissent l'énergie solaire en énergie chimique sont appelés phototrophes, et ils sont apparus moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre. Puis, cyanobactéries, également connues sous le nom d'algues bleu-vert, ont évolué à partir de ces simples phototrophes un milliard d'années plus tard. Les cyanobactéries (figure 3) ont commencé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de l'oxygène atmosphérique a permis le développement d'O plus efficace2-utilisation des voies cataboliques. Il a également ouvert la terre à une colonisation accrue, parce que certains O2est converti en O3 (ozone) et l'ozone absorbe efficacement la lumière ultraviolette qui provoquerait autrement des mutations mortelles dans l'ADN. En fin de compte, l'augmentation de O2 les concentrations ont permis l'évolution d'autres formes de vie.


Applications pratiques de la biologie des systèmes

Alors que notre capacité à collecter de grandes quantités de données expérimentales de manière opportune et rentable représentait, jusqu'à récemment, une priorité absolue, un défi différent prend actuellement forme.

Désormais, l'objectif est d'intégrer les ensembles de données générés par diverses approches pour permettre une interprétation significative et précise de phénomènes biologiques complexes. Dans ce contexte, la biologie des systèmes, que Hans Westerhoff et Lilia Alberghina, dans leur livre Définitions et perspectives de la biologie des systèmes (Springer 2007), qualifié de « nouveau et ancien à la fois », détient la clé pour comprendre les systèmes biologiques dans leur véritable complexité et dynamique.

« Au cours des 10 prochaines années, une approche systémique dominera le paysage de la compréhension de toutes les maladies simples et complexes », a déclaré Leroy E. Hood, M.D., Ph.D., président de l'Institute of Systems Biology.

Dans une étude récente qui a intégré différents niveaux d'informations globales obtenues à partir de plusieurs souches de souris consanguines avec une analyse soustractive, le Dr Hood et ses collaborateurs ont étudié les perturbations cellulaires au cours de la progression de la maladie à prions (voir Biologie des systèmes moléculaires, publié en ligne le 7 avril 2009).

« La raison pour laquelle l'analyse globale est importante est qu'elle nous a permis de démontrer que nous pouvons expliquer pratiquement toute la physiopathologie connue et qu'elle a fourni de nouvelles informations fondamentales sur les modules de la maladie dont les gens n'avaient aucune idée qu'ils étaient associés à la maladie à prions », a ajouté le Dr Hood. .

Avec les grandes quantités d'informations générées par les approches omiques, les défis se tournent désormais vers la recherche des méthodes les plus robustes pour interpréter les données.

« Le problème avec toute analyse à grande échelle, qu'il s'agisse d'analyses du transcriptome, du protéome ou du génome, est que le défi signal-bruit est énorme. Bien que ces approches omiques identifient de grandes listes de gènes, je dirais que la plupart des gènes de la liste sont du bruit et ne reflètent pas des mécanismes pathologiques. Il est absolument essentiel d'apprécier le rapport signal/bruit », a expliqué le Dr Hood.

Son groupe a développé et mis en œuvre de nouvelles méthodes statistiques pour traiter le bruit et pour intégrer les ensembles de données de différents animaux de manière nouvelle et puissante. En plus d'une compréhension approfondie de la biologie des prions, cette approche a permis d'identifier 333 gènes qui semblent être au cœur de la maladie à prions.

Un aspect remarquable qui a émergé de ce travail est que de nombreux changements apparaissent au niveau moléculaire bien avant que les symptômes ne deviennent apparents. De plus, les techniques de protéomique ont identifié plusieurs marqueurs sanguins présymptomatiques ayant une valeur diagnostique potentielle.

Ces approches globales ont dévoilé des réseaux cellulaires dynamiques qui fournissent un cadre important pour la découverte et la conception de médicaments. « Je pense que l'avenir de la découverte de cibles médicamenteuses consistera à comprendre la dynamique des réseaux perturbés par la maladie », a prédit le Dr Hood. « Dans 10 ans, nous assisterons à une révolution de la médecine comme jamais auparavant. »


Le voyage du VIH à travers la cellule

Interaction hôte-pathogène

Les criblages d'ARNi sont récemment apparus comme des approches particulièrement puissantes pour étudier les interactions hôte-pathogène. Néanmoins, en tant qu'outils génétiques qui ont une propension à révéler des associations indirectes, ils ne sont pas très informatifs sur le fait qu'une interaction spécifique soit directe ou indirecte.

«Nous avons adopté une approche intégrative», a noté Sumit Chanda, Ph.D., professeur agrégé au Burnham Institute for Medical Research. "Nous sommes partis de l'hypothèse que l'activité ARNi ne devrait pas être le seul critère à choisir lors de la sélection des facteurs issus d'un dépistage ARNi."

Lors d'une récente conférence du Cold Spring Harbor Laboratory sur "Systems Biology: Networks", le Dr Chanda a révélé comment son groupe a intégré les données d'ARNi à l'analyse des réseaux de protéines pour obtenir une représentation spatiale de la façon dont les facteurs identifiés interagissent les uns avec les autres et avec le VIH. protéines codées. L'équipe a identifié 295 gènes impliqués dans l'infection précoce.

À peu près à la même époque, deux autres groupes, dirigés par Stephen J. Elledge de la Harvard Medical School et Amy S. Espeseth de Merck & Co., ont utilisé l'ARNi pour identifier les protéines de l'hôte impliquées dans l'infection par le VIH. Fait intéressant, bien que chacun des trois écrans ait identifié environ 300 gènes, seuls 9 à 15 des gènes ont été partagés entre des ensembles de données appariés.

"Notre hypothèse est que bon nombre de ces facteurs vont être des régulateurs indirects des mêmes voies ou processus biologiques, et c'est pourquoi il y a un si faible degré de chevauchement", a poursuivi le Dr Chanda.

« La plupart des facteurs identifiés représentent des régulateurs secondaires ou tertiaires du processus, comme un régulateur d'un régulateur d'un régulateur. C'est pourquoi cette idée d'intégrer l'analyse biochimique et génétique, en coupant les deux ensembles de données, non seulement nettoie les données, mais fournit également une lecture fonctionnelle. Il offre également un instantané spatial et biochimique de la façon dont ces protéines hôtes médient le phénotype à travers la carte d'interaction.

Les agents pathogènes microbiens représentent une cause majeure de morbidité et de mortalité dans le monde. On pense que leur capacité à développer une résistance aux antibiotiques prédit ce que certains chercheurs ont appelé « l'ère post-antibiotique ». Comme l'ont démontré les dernières décennies, les bactéries résistantes commencent invariablement à émerger après que des antibiotiques spécifiques soient disponibles dans le commerce, parfois dès quelques mois.

« Depuis un certain temps, nous adoptons une approche de biologie des systèmes pour étudier comment les bactéries réagissent aux antibiotiques », a déclaré James J. Collins, Ph.D., professeur de génie biomédical à l'Université de Boston et chercheur au Howard Hughes Medical Institute. Lors de la réunion de Cold Spring Harbor, le Dr Collins a présenté les récentes découvertes de son groupe selon lesquelles tous les antibiotiques bactéricides, quelle que soit leur cible médicamenteuse, induisent des dommages oxydatifs et des voies de mort cellulaire qui conduisent à la production de radicaux hydroxyles et contribuent ainsi à la mort cellulaire.

Le ciblage des voies de protection bactériennes induites pour remédier aux dommages des espèces réactives de l'oxygène, et en particulier la manipulation des voies de réparation des dommages à l'ADN, devient donc une approche potentielle pour potentialiser l'effet de ces antibiotiques.

"Nous pensons que de petites molécules pourraient être produites qui conduiraient à la création de super-Cipro, de super-gentamycine ou de super-ampicilline", a prédit le Dr Collins. Plus récemment, en examinant les événements consécutifs à l'interaction des aminosides avec les ribosomes qui conduisent à la formation d'espèces réactives de l'oxygène, le groupe du Dr Collins a révélé que ces antibiotiques conduisaient à une mauvaise traduction des protéines membranaires et a montré que la réponse au stress de l'enveloppe et l'oxydoréduction à deux composants les systèmes de régulation sont impliqués dans le stress oxydatif médié par les antibiotiques et la mort cellulaire. Cela a fourni des informations supplémentaires sur le mécanisme commun de destruction induit par les antibiotiques bactéricides.

« Les approches de biologie des systèmes peuvent aider à mieux comprendre les voies de mort des cellules bactériennes et les mécanismes de protection induits par les antibiotiques », a déclaré le Dr Collins. « Ces analyses en réseau conduiront au développement de nouveaux antibiotiques plus efficaces, ainsi qu'à des moyens d'améliorer les médicaments antibactériens existants. Ces efforts seront essentiels dans notre lutte continue contre la résistance aux antibiotiques. »

Recherche sur les protozoaires

Dans ce qui représente le premier effort de ce genre impliquant un organisme protozoaire, Jason A. Papin, Ph.D., professeur adjoint de génie biomédical à l'Université de Virginie, en collaboration avec des collaborateurs, a reconstruit le premier Leishmanie réseau métabolique majeur qui représente 560 gènes, 1 112 réactions, 1 101 métabolites et huit localisations subcellulaires uniques.

De plus, en collaboration avec Vitor Martins do Santos, Ph.D., du Helmholtz Center for Infection Research en Allemagne, son groupe a utilisé les données génétiques, biochimiques et physiologiques disponibles pour effectuer une reconstruction à l'échelle du génome et un modèle basé sur les contraintes du Pseudomonas aeruginosa souche PAO1, cartographie 1 056 gènes dont les produits correspondent à 833 réactions et relient 879 métabolites cellulaires. « C'est un système tellement formidable », a souligné le Dr Papin, « car il est relativement bien caractérisé et c'est un agent pathogène. »

Le modèle a été validé avec des criblages publiés de l'essentialité des gènes à l'échelle du génome et avec des tests d'utilisation de substrats qui prédisent si l'organisme peut cataboliser des substrats spécifiques.

Bien que ces comparaisons fournissent une validation importante, elles ont également des implications importantes pour comprendre ce qui rend certains gènes essentiels, ou pourquoi un organisme est capable d'utiliser un substrat mais pas un autre.

« Nous pensons qu'il existe un besoin réel et non satisfait. Je pense que la biologie des systèmes peut avoir l'un de ses premiers et plus grands succès dans la lutte contre les maladies infectieuses et dans l'identification et la validation de cibles médicamenteuses dans ces agents pathogènes », a déclaré le Dr Papin.

L'angiogenèse

La biologie des systèmes promet d'avoir un impact sur pratiquement tous les domaines scientifiques. Par exemple, « l'angiogenèse est un processus complexe à plusieurs étapes qui implique de nombreux acteurs moléculaires avec de nombreuses diaphonies et interactions. Dans un système comme celui-ci, l'utilisation de la biologie des systèmes est absolument nécessaire pour comprendre le processus. C'est également un outil efficace pour concevoir de nouvelles thérapies », a noté Aleksander Popel, Ph.D., professeur de génie biomédical et directeur du laboratoire de biologie des systèmes à l'Université Johns Hopkins.

L'angiogenèse est connue pour être impliquée dans plus de 70 maladies différentes. Certains, tels que le cancer et la dégénérescence maculaire liée à l'âge, sont caractérisés par un bourgeonnement excessif des vaisseaux sanguins tandis que d'autres (par exemple, une maladie artérielle périphérique ou coronarienne) sont marqués par une angiogenèse insuffisante.

La modélisation informatique, la bioinformatique et les méthodes expérimentales in vitro et in vivo sont les principales approches qui convergent dans le laboratoire du Dr Popel pour mieux comprendre les mécanismes de l'angiogenèse. Ils sont également prometteurs pour la conception de nouveaux agents thérapeutiques. En utilisant ces approches, le Dr.Le laboratoire de Popel a caractérisé l'implication de plusieurs membres clés de la famille du facteur de croissance endothéliale vasculaire (VEGF) dans l'angiogenèse, décrit un certain nombre de modèles pour différentes applications et validé les prédictions de modèles par rapport à des expériences in vitro et des modèles animaux in vivo pour des conditions telles que le cancer et les maladies ischémiques. .

Les chercheurs du laboratoire Popel simulent actuellement l'administration d'agents pour les thérapies VEGF pro- et anti-angiogéniques qui peuvent être utilisés de manière systémique ou introduits par transfert de gènes pour comprendre comment ils affectent l'équilibre des facteurs de croissance au sein de l'organisme entier. Le laboratoire a également reconstitué le réseau biochimique impliquant le facteur 1α inductible par l'hypoxie (HIF1α), un facteur de transcription agissant en amont du VEGF et régulant plus de 200 gènes impliqués dans la réponse hypoxique. Le groupe a développé un modèle pour expliquer comment, dans des conditions telles que l'ischémie et le cancer, les espèces réactives de l'oxygène et les antioxydants affectent la signalisation par cette voie.

Comprendre les réseaux cellulaires

L'organisme modèle S. cerevisiae a alimenté certaines des avancées les plus importantes de la biologie et a aidé les scientifiques à comprendre des concepts clés dans des domaines couvrant la transduction du signal et la réparation de l'ADN, le cancer, les pathologies neurodégénératives et cardiovasculaires et le métabolisme du cholestérol.

Un moyen efficace de mieux comprendre la régulation des processus biochimiques consiste à explorer les interactions protéine-protéine. Les chercheurs estiment que le nombre total d'interactions dans S. cerevisiae compris entre 10 000 et 40 000. Alors que de nombreuses méthodes examinent les interactions protéine-protéine in vitro, la mesure dans laquelle ces interactions représentent un reflet précis du contexte cellulaire in vivo apparaît comme une question importante.

Stephen Michnick, Ph.D., professeur de biochimie à l'Université de Montréal et titulaire de la Chaire de recherche du Canada en génomique intégrative, a présenté des travaux au site de Cold Spring Harbour qu'il a réalisés avec plusieurs collaborateurs pour caractériser le S. cerevisiae réseau d'interaction protéique in vivo. L'équipe a profité d'un test de complémentation de fragments protéiques. Deux protéines d'intérêt, chacune fusionnée à des fragments complémentaires d'une protéine rapporteur, sont rapprochées et reconstituent l'activité rapporteur si une interaction s'établit entre elles.

Un criblage à l'échelle du génome des interactions protéine-protéine a identifié 2 770 interactions parmi 1 124 protéines exprimées de manière endogène et a établi une carte de topologie des protéines à une résolution de 8 nm qui promet de fournir un cadre précieux pour de futures études. Une comparaison avec les rapports précédents a révélé que la plupart des interactions dévoilées par cette enquête étaient auparavant inconnues, pointant vers des caractéristiques encore inexplorées de l'interactome de la protéine de levure.

"La clé est d'utiliser ces faits car nous pouvons maintenant étudier les interactions dans les cellules vivantes et nous pouvons manipuler les cellules vivantes avec des médicaments et des changements dans les nutriments. On peut se demander comment le réseau se réorganise et que signifient ces changements ? Nous pouvons faire de nouvelles choses que nous n'avons pas pu faire avec d'autres approches et en apprendre davantage sur la dynamique de l'interactome », a déclaré le Dr Michnick.

Outils de calcul

Des outils de calcul robustes représentent une force motrice derrière toutes les applications de biologie des systèmes. "De mon point de vue, qui est principalement informatique, je suis convaincu qu'en utilisant des algorithmes sophistiqués, nous pouvons vraiment repousser les limites des études de biologie des systèmes beaucoup plus loin", a déclaré Ron Shamir, Ph.D., professeur d'informatique et titulaire de la chaire Sackler en bioinformatique. à l'Université de Tel-Aviv.

« Je crois fermement au pouvoir d'utiliser des outils ad hoc sophistiqués basés sur des approches qui combinent une bonne algorithmique et une solide compréhension de la biologie derrière la question. »

Lors de la réunion du CSHL, le Dr Shamir a discuté des contributions de son groupe au développement d'outils. MATISSE, un algorithme capable d'analyser les données d'interaction et d'expression à l'échelle du génome et de détecter des modules fonctionnels, est déjà un outil important utilisé par des groupes de recherche du monde entier. En étendant MATISSE et ses capacités, le laboratoire Shamir a récemment introduit CEZANNE, une nouvelle méthodologie pour extraire des voies co-exprimées fonctionnellement.

L'une des meilleures démonstrations de la puissance de ces approches est reflétée par une récente étude collaborative, menée conjointement avec Jeanne Loring, Ph.D.'s group à Scripps, qui a catégorisé une collection d'environ 150 lignées de cellules souches en fonction de leurs profils d'expression. . Cette étude a trouvé un sous-réseau protéine-protéine, appelé Plurinet, qui est fortement lié à la pluripotence.

En outre, d'autres algorithmes développés dans le laboratoire Shamir ont été utilisés dans des études de données de patients et ont identifié des sous-réseaux dérégulés spécifiques à la maladie. L'analyse, qui a utilisé des données cas-témoins ainsi que divers paramètres cliniques tels que l'âge d'apparition et le temps jusqu'à la formation de métastases, peut conduire à une meilleure compréhension du processus de la maladie.

Contrairement aux études précédentes qui utilisaient des voies prédéfinies, ces outils de biologie des systèmes reposent sur le raisonnement selon lequel des ensembles de gènes co-exprimés formant de petits sous-réseaux connectés devraient correspondre à des voies ou des processus se déroulant dans les cellules. Par conséquent, les algorithmes examinent le réseau d'interaction protéique complet et recherchent des sous-réseaux caractérisés par une réponse élevée et connectés.

« Un avantage de notre approche est que vous n'avez pas besoin de ces ensembles prédéfinis », a expliqué le Dr Shamir, « car il y a toujours une certaine ambiguïté quant à ce qui constitue une voie. Nos connaissances actuelles sur les sentiers sont incomplètes et, par ailleurs, il est difficile de tracer la frontière entre un sentier et le reste du réseau.

« Les voies se chevauchent, il y a toujours une diaphonie, et nous constatons qu'il est préférable d'identifier de manière algorithmique le sous-réseau en fonction des données, en utilisant l'ensemble du réseau d'interaction protéique comme source. »

La biologie des systèmes devenant un outil indispensable pour interroger les événements cellulaires dynamiques, elle promet de transformer profondément la société dans les années à venir. Bien que chaque approche soit puissante à sa manière, ce n'est qu'en intégrant de multiples outils expérimentaux couvrant la biologie, la physique, la chimie, les mathématiques et l'informatique, ou en « soudant ensemble la somme de tout ce qui est connu en un tout », comme Erwin Schrödinger a écrit il y a plus d'un demi-siècle que l'image la plus précise et la plus significative peut être obtenue, quelle que soit la question scientifique poursuivie.


Méthodes d'amélioration des souches

L'amélioration des souches est l'une des étapes essentielles de la fermentation pour obtenir le rendement le plus élevé possible et est économique. Cela dépend principalement de l'efficacité de la souche de production impliquée dans le processus de fermentation. Les souches microbiennes actives obtenues par criblage primaire et secondaire ne sont pas aussi efficaces qu'elles peuvent être utilisées dans les procédés de fermentation. Par conséquent, de telles souches nécessitent une amélioration pour la production de composés à haut rendement. Les principaux objectifs pour l'amélioration de la souche sont :

(1) Pour obtenir des souches hautement stables et résistantes aux infections.

(ii) Produire des souches à haut rendement qui rendent le processus plus économique.

(iii) Obtenir une souche résistante aux constituants moyens et pouvant tolérer une faible tension en oxygène.

(iv) Pour obtenir une souche morphologiquement favorable.

(v) Élimination facile de tous les constituants indésirables de la souche bioactive. L'amélioration des souches microbiennes peut être obtenue par des techniques de mutation et de transfert d'ADN.

Mutation: Les cellules microbiennes modifient leurs propres caractéristiques par division cellulaire naturelle. Ces souches sont appelées mutants. Les facteurs responsables des changements sont appelés mutagènes et le processus est appelé mutation. Les agents mutagènes sont les rayons UV, les rayons X, les rayons gamma, le cobalt 60, la moutarde à l'azote, le bromure d'éthidium, le 5-bromouracil, l'acide nalidixique, etc. Le protocole général des techniques de mutation est indiqué ci-dessous. Ces mutants sont principalement regroupés en deux catégories telles que les mutants auxotrophes et les mutants résistants aux analogues.

Isolement des souches de sources naturelles

Criblage primaire et secondaire des souches bioactives

Sélectionnez différents types de souches bioactives

Traitement mutagène (UV, rayons X, 60CO, NTG etc.).

Sélectionnez des variétés à plus haut rendement

Fig. 2.8 : Méthode générale de mutation

Les micro-organismes ne peuvent pas synthétiser un excès de métabolites au-delà de la limitation des besoins cellulaires, car les cellules ont des mécanismes de régulation qui contrôlent la synthèse des métabolites. La suppression de ces mécanismes de régulation est nécessaire pour développer les souches afin de produire des rendements plus élevés des métabolites requis. Des mutants spécifiques sont développés qui ont perdu la capacité de synthétiser l'un des produits finaux capables de rétro-inhibition ou de rétro-répression. L'inhibition de la rétroaction signifie une accumulation excessive du produit final qui inhibe l'activité ou la force de l'enzyme catalysant la réaction. La répression de la rétroaction signifie une suraccumulation du produit final qui inhibe la synthèse de l'enzyme catalysant la réaction. Cela peut s'expliquer en considérant une situation où deux produits finaux (X et Y) sont produits par une voie de biosynthèse ramifiée à partir du substrat ‘A’, comme le montre la figure 2.9.

Le produit (métabolite primaire) peut montrer une rétro-inhibition sur sa propre production par inhibition de l'enzyme catalysant la réaction de formation de ‘B” à partir de ‘A. Le produit X peut montrer une inhibition de l'enzyme catalysant la réaction ‘C’ et P.

Corynebacterium glutamicum et Brevibacterium flavum produisent un acide aminé important (la lysine) comme métabolite principal. Ces organismes produisent également d'autres acides aminés comme la thréonine et la méthionine. La voie (Fig. 2.10) est soumise à une rétro-inhibition par un mélange de lysine et de thréonine contrôlant l'activité de l'aspartate kinase. Lorsque ces deux acides aminés sont suraccumulés en tant que produit final, leur synthèse est inhibée en inhibant l'activité enzymatique. Ce type de contrôle est appelé ‘rétroinhibition absolue. L'isolement de mutants spécifiques peut aider à éviter l'inhibition de l'activité enzymatique. Ce mutant isolé ne peut pas catalyser la conversion du semialdéhyde aspartique en homosérine et empêche donc la formation de thréonine et de méthionine. Un mutant est capable de se développer dans un milieu supplémenté en homosérine et l'organisme est appelé « auxotrophe d'homosérine ». Ce mutant nutritionnellement déficient est cultivé dans un milieu avec une faible concentration de thréonine et de méthionine pour soutenir la croissance mais pas assez de concentration de thréonine pour coopérer avec la lysine dans l'inhibition de l'activité asparate kinase. Par conséquent, la production de lysine augmente à partir de Corynebacterium glutamicum.

Les moisissures, les actinomycètes et les bactéries sporulées produisent principalement des métabolites secondaires (par exemple des antibiotiques) au cours du processus de fermentation. Les techniques d'isolement des mutants surproducteurs de métabolites secondaires sont plus difficiles car très peu d'informations sont disponibles pour le contrôle de la production. Le rendement d'un antibiotique dépend également de divers types de gènes, il est difficile de trouver des mutations individuelles qui peuvent augmenter le rendement des souches bioactives. La composition du milieu et les conditions environnementales influencent également fortement la production d'antibiotiques. Diverses souches génétiquement améliorées ont été développées par mutation pour augmenter les rendements. La culture isolée est traitée avec un mutagène, puis l'activité des colonies mutantes est testée.

Suspension de spores d'isolat (par exemple Aenicillium chrysogénium)

Survivants de la mutation cultivés sur milieu gélosé

Sélectionnez les colonies spécifiques (150 à 200 colonies) et suspendez séparément dans de l'eau salée

Chaque culture est à nouveau ensemencée en milieu liquide pour le développement de l'inoculum

Chaque inoculum est ensemencé dans le milieu de production

Les meilleurs producteurs d'antibiotiques sont identifiés (10 à 12 colonies) retestés, maintenus comme les cultures mères et remutés

Techniques de transfert d'ADN :

Différentes techniques de transfert d'ADN sont utilisées pour obtenir des souches à haut rendement. Ces techniques sont réalisées en transférant tout ou partie de l'ADN à la cellule microbienne receveuse à partir de la cellule donneuse (Pour plus de détails, veuillez vous référer à cet article). La recombinaison bactérienne se produit chaque fois que de nouveaux arrangements de gènes sont formés par l'échange, l'élimination ou l'insertion d'ADN. La recombinaison a été appliquée pour la production de diverses souches industrielles.

Les techniques utilisées pour le transfert de matériel génétique sont énumérées comme suit :


22.1 Diversité procaryote

Dans cette section, vous explorerez les questions suivantes :

  • Quelle est l'histoire évolutive des procaryotes ?
  • Quelles sont les caractéristiques distinctives des extrêmophiles ?
  • Pourquoi est-il difficile de cultiver des procaryotes à des fins d'étude ?

Connexion pour les cours AP ®

Dans un passé récent, les scientifiques ont regroupé les organismes vivants en cinq règnes en fonction de plusieurs critères, notamment l'absence ou la présence d'un noyau et d'autres organites liés à la membrane, l'absence ou la présence de parois cellulaires, la multicellularité, etc. Comme nous l'avons appris plus tôt, les procaryotes ont été les premières cellules à évoluer sur Terre il y a 3,5 à 4,5 millions d'années et manquaient de noyau et d'organites cytoplasmiques. À la fin du 20 e siècle, les scientifiques ont comparé des séquences d'ARN ribosomique de petites sous-unités, ce qui a permis de regrouper des organismes sur Terre de manière plus fondamentale. Sur la base des différences dans la structure des membranes cellulaires et dans l'ARNr, Carl Woese et ses collègues ont proposé le système à trois domaines. Le domaine Bactéries comprend tous les organismes du royaume Eubactéries (bactéries), le domaine Archaea comprend le reste des procaryotes et le domaine Eukarya comprend tous les eucaryotes, y compris les protistes, les champignons, les plantes et les animaux. Les procaryotes présentent une grande diversité de forme et de fonction et sont abondants et omniprésents. En plus d'habiter des environnements modérés comme le système digestif humain, les procaryotes se trouvent dans des conditions extrêmes (extrêmophiles), des sources chaudes bouillantes au Grand Lac Salé et aux environnements gelés de l'Antarctique.

Parce que les procaryotes habitent de nombreux environnements différents, ils ont développé de multiples stratégies pour répondre à leurs besoins énergétiques, notamment la chimiosynthèse, la photosynthèse, la respiration cellulaire anaérobie et la respiration cellulaire aérobie. Les sources chaudes et les sources hydrothermales ont peut-être été les environnements dans lesquels la vie a commencé, et il existe des preuves fossiles de la présence de tapis microbiens il y a environ 3,5 milliards d'années. Au cours des deux premiers milliards d'années de l'histoire de la Terre, l'atmosphère manquait de quantités suffisantes d'oxygène et seuls les organismes anaérobies pouvaient vivre. Les cyanobactéries ont évolué à partir des premières phototrophes et ont commencé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de la concentration en oxygène permet l'évolution d'autres formes de vie avec d'autres processus métaboliques. La plupart des procaryotes préfèrent vivre en communauté, formant souvent des biofilms.

Soutien aux enseignants

Pendant que les élèves lisent et discutent des micro-organismes qui vivent dans des environnements extrêmes, rappelez-leur que les espèces procaryotes sont également très bien adaptées aux habitats «normaux» – toutes les terres et les eaux dans lesquelles se trouvent la plupart des autres espèces. Aidez les élèves à comprendre que la capacité des procaryotes à s'adapter à un si large éventail d'environnements aide à expliquer pourquoi ils sont les organismes les plus abondants sur Terre. Vous pouvez proposer quelques statistiques qui le démontrent ou inviter les élèves à faire des recherches et à présenter des statistiques à la classe. (Par exemple, la biomasse totale des procaryotes est environ dix fois supérieure à celle de la biomasse totale des eucaryotes, plus de procaryotes habitent une poignée de sol fertile que le nombre total de personnes qui ont déjà vécu, et ainsi de suite).

Les informations présentées et les exemples mis en évidence dans la section soutiennent les concepts décrits dans la grande idée 1 du cadre du programme d'études en biologie AP ® . Les objectifs d'apprentissage AP ® répertoriés dans le cadre du programme d'études fournissent une base transparente pour le cours de biologie AP ®, une expérience de laboratoire basée sur l'enquête, des activités pédagogiques et des questions d'examen AP ®. Un objectif d'apprentissage fusionne le contenu requis avec une ou plusieurs des sept pratiques scientifiques.

Grande idée 1 Le processus d'évolution entraîne la diversité et l'unité de la vie.
Compréhension durable 1.D L'origine des systèmes vivants s'explique par des processus naturels.
Connaissances essentielles 1.D.1 Il existe plusieurs hypothèses sur l'origine naturelle de la vie sur Terre, chacune avec des preuves scientifiques à l'appui.
Pratique scientifique 6.3 L'élève peut articuler les raisons pour lesquelles les explications et les théories scientifiques sont affinées ou remplacées.
Objectif d'apprentissage 1.29 L'étudiant est capable de décrire les raisons des révisions des hypothèses scientifiques sur l'origine de la vie sur Terre.
Connaissances essentielles 1.D.1 Il existe plusieurs hypothèses sur l'origine naturelle de la vie sur Terre, chacune avec des preuves scientifiques à l'appui.
Pratique scientifique 6.5 L'étudiant peut évaluer des explications scientifiques alternatives.
Objectif d'apprentissage 1.30 L'étudiant est capable d'évaluer des hypothèses scientifiques sur l'origine de la vie sur Terre.
Connaissances essentielles 1.D.1 Il existe plusieurs hypothèses sur l'origine naturelle de la vie sur Terre, chacune avec des preuves scientifiques à l'appui.
Pratique scientifique 4.4 L'étudiant peut évaluer des sources de données pour répondre à une question scientifique particulière.
Objectif d'apprentissage 1.31 L'étudiant est capable d'évaluer l'exactitude et la légitimité des données pour répondre aux questions scientifiques sur l'origine de la vie sur Terre.
Connaissances essentielles 1.D.2 La vie sur Terre a évolué il y a entre 3,5 et 4,5 milliards d'années.
Pratique scientifique 4.1 L'étudiant peut justifier le choix du type de données nécessaires pour répondre à une question scientifique particulière.
Objectif d'apprentissage 1.32 L'étudiant est capable de justifier la sélection de données géologiques, physiques et chimiques qui révèlent les conditions de la Terre primitive.

Les questions du défi de la pratique scientifique contiennent des questions de test supplémentaires pour cette section qui vous aideront à vous préparer à l'examen AP. Ces questions portent sur les normes suivantes :
[APLO 2.35][APLO 2.36][APLO 2.37]

Les procaryotes sont omniprésents. Ils couvrent toutes les surfaces imaginables où il y a suffisamment d'humidité, et ils vivent sur et à l'intérieur d'autres êtres vivants. Dans le corps humain typique, les cellules procaryotes sont environ dix fois plus nombreuses que les cellules du corps humain. Ils constituent la majorité des êtres vivants dans tous les écosystèmes. Certains procaryotes prospèrent dans des environnements inhospitaliers pour la plupart des êtres vivants. Les procaryotes recyclent nutriments—des substances essentielles (comme le carbone et l'azote)—et elles entraînent l'évolution de nouveaux écosystèmes, dont certains sont naturels et d'autres créés par l'homme. Les procaryotes sont sur Terre bien avant l'apparition de la vie multicellulaire.

Procaryotes, les premiers habitants de la Terre

Quand et où la vie a-t-elle commencé ? Quelles étaient les conditions sur Terre au début de la vie ? Les procaryotes ont été les premières formes de vie sur Terre, et ils ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. On pense que la Terre et sa lune ont environ 4,54 milliards d'années.Cette estimation est basée sur des preuves de datation radiométrique de matériel météoritique ainsi que d'autres matériaux de substrat de la Terre et de la Lune. La Terre primitive avait une atmosphère très différente (contenait moins d'oxygène moléculaire) qu'aujourd'hui et était soumise à de fortes radiations. Ainsi, les premiers organismes auraient prospéré là où ils étaient mieux protégés, comme dans les profondeurs océaniques ou sous la surface de la Terre. A cette époque aussi, une forte activité volcanique était courante sur Terre, il est donc probable que ces premiers organismes, les premiers procaryotes, se soient adaptés à des températures très élevées. La Terre primitive était sujette à des bouleversements géologiques et à des éruptions volcaniques, et était soumise au bombardement par les radiations mutagènes du soleil. Les premiers organismes étaient des procaryotes capables de résister à ces conditions difficiles.

Tapis microbiens

Les tapis microbiens ou les grands biofilms peuvent représenter les premières formes de vie sur Terre, il existe des preuves fossiles de leur présence commençant il y a environ 3,5 milliards d'années. UNE tapis microbien est une feuille multicouche de procaryotes (Figure 22.2) qui comprend principalement des bactéries, mais aussi des archées. Les tapis microbiens ont quelques centimètres d'épaisseur et se développent généralement là où différents types de matériaux s'interfacent, principalement sur des surfaces humides. Les différents types de procaryotes qui les composent effectuent différentes voies métaboliques, et c'est la raison de leurs différentes couleurs. Les procaryotes dans un tapis microbien sont maintenus ensemble par une substance collante ressemblant à de la colle qu'ils sécrètent appelée matrice extracellulaire.

Les premiers tapis microbiens ont probablement obtenu leur énergie à partir de produits chimiques trouvés près des sources hydrothermales. UNE bouche hydrothermale est une rupture ou une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie. Avec l'évolution de la photosynthèse il y a environ 3 milliards d'années, certains procaryotes des tapis microbiens en sont venus à utiliser une source d'énergie plus largement disponible - la lumière du soleil - tandis que d'autres dépendaient encore des produits chimiques des sources hydrothermales pour l'énergie et la nourriture.

Stromatolites

Les tapis microbiens fossilisés représentent le premier enregistrement de la vie sur Terre. UNE stromatolite est une structure sédimentaire formée lorsque des minéraux sont précipités hors de l'eau par des procaryotes dans un tapis microbien (figure 22.3). Les stromatolites forment des roches stratifiées constituées de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites en croissance ont été trouvés dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego dans le comté de San Diego, en Californie.

L'atmosphère antique

Les preuves indiquent que pendant les deux premiers milliards d'années de l'existence de la Terre, l'atmosphère était anoxique, ce qui signifie qu'il n'y avait pas d'oxygène moléculaire. Par conséquent, seuls les organismes qui peuvent se développer sans oxygène—anaérobie organismes - étaient capables de vivre. Les organismes autotrophes qui convertissent l'énergie solaire en énergie chimique sont appelés phototrophes, et ils sont apparus moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre. Puis, cyanobactéries, également connues sous le nom d'algues bleu-vert, ont évolué à partir de ces simples phototrophes un milliard d'années plus tard. Les cyanobactéries (figure 22.4) ont commencé l'oxygénation de l'atmosphère. L'augmentation de l'oxygène atmosphérique a permis le développement d'O plus efficace2-utilisation des voies cataboliques. Il a également ouvert la terre à une colonisation accrue, parce que certains O2 est converti en O3 (ozone) et l'ozone absorbe efficacement la lumière ultraviolette qui provoquerait autrement des mutations mortelles dans l'ADN. En fin de compte, l'augmentation de O2 les concentrations ont permis l'évolution d'autres formes de vie.

Connexion science-pratique pour les cours AP®

La Terre primitive était inhospitalière à la plupart des formes de vie telles que nous la connaissons aujourd'hui, avec une quantité substantielle de bouleversements géologiques, une activité volcanique et une atmosphère anoxique (ce qui signifie qu'elle manquait d'oxygène). Par conséquent, l'origine de la vie sur Terre est d'un grand intérêt pour les scientifiques.

L'une des premières hypothèses sur l'origine de la vie sur Terre était la panspermie, qui remonte au 5 e siècle av. La panspermie est l'idée que la vie est distribuée dans différentes parties de l'univers sur des objets tels que les météorites et les astéroïdes. Si cela se produisait, les composés organiques et les micro-organismes seraient capables de survivre aux conditions extrêmes de l'espace.

Cependant, dans les années 1960, les scientifiques Stanley Miller et Harold Urey ont mené des expériences en laboratoire qui ont montré qu'il était possible que des composés organiques, y compris des acides aminés, se forment dans certaines conditions à partir de molécules inorganiques et d'énergie, qui auraient toutes deux été présentes au début conditions de la Terre. Par la suite, des preuves fossilisées de tapis microbiens par des cheminées hydrothermales en haute mer datant de 3,5 milliards d'années ont été découvertes. Par conséquent, il existe maintenant plusieurs hypothèses sur la façon dont la vie aurait pu évoluer sur Terre.

Activité

Effectuez des recherches sur Internet à l'aide de pages Web fiables contenant des preuves scientifiques actuelles soutenant les idées selon lesquelles 1) la vie est originaire de la Terre et 2) que la vie est arrivée sur Terre à partir d'un objet extraterrestre, tel qu'un astéroïde ou une comète. Décidez ensuite quelle idée a le plus de preuves à l'appui. Soyez en mesure de justifier votre conclusion.

Pensez-y

Si des composés organiques, qui ont finalement formé des organismes, auraient pu se former à la fois extraterrestre et sur Terre, pourquoi serait-il moins compliqué, et donc plus probable, que la vie se soit formée sur Terre ?

Pensez-y

Même si Miller et Urey ont montré que les molécules organiques pouvaient être produites à partir des conditions de la Terre primitive, pourquoi existe-t-il encore des hypothèses différentes sur la façon dont la vie aurait pu naître sur Terre ?

Soutien aux enseignants

Activité:

Assurez-vous de guider les étudiants vers des sites Web fiables, tels que des revues scientifiques en ligne, des sites Web gouvernementaux et des périodiques scientifiques fiables.

  • Cette question est une application des objectifs d'apprentissage AP® 1.30 et 1.31, et des pratiques scientifiques 6.5 et 4.4, car les étudiants évaluent des hypothèses alternatives et utilisent des sources de données pour répondre aux questions sur l'origine de la vie.

Pensez-y : assurez-vous de guider les élèves vers des sites Web fiables, tels que des revues scientifiques en ligne, des sites Web gouvernementaux et des périodiques scientifiques fiables.

  1. Il serait plus probable que la vie se soit formée sur Terre, car dans les deux cas, des composés organiques auraient dû se former d'une manière ou d'une autre. La vie originaire de la Terre serait l'explication la plus simpliste car les composés organiques ou les micro-organismes n'auraient pas eu à survivre en voyageant dans l'espace.
    • Cette question est une application des objectifs d'apprentissage AP® 1.30 et 1.31, et des pratiques scientifiques 6.5 et 4.4, car les étudiants évaluent des hypothèses alternatives et utilisent des sources de données pour répondre aux questions sur l'origine de la vie.
  2. Il existe plusieurs hypothèses car l'expérience Miller-Urey a seulement montré que des composés organiques sans amour auraient pu se former au début de l'histoire de la Terre. Cela n'explique pas comment ces composés organiques ont pu se transformer en cellules vivantes. Ce « trou » a conduit au développement d'autres hypothèses, comme l'idée que la vie est arrivée à partir de corps extraterrestres.
    • Cette question est une application des objectifs d'apprentissage AP® 1.29 et des pratiques scientifiques 6.3, car les étudiants évaluent les raisons de l'existence et de la révision d'hypothèses scientifiques.

Les microbes sont adaptables : la vie dans des environnements modérés et extrêmes

Certains organismes ont développé des stratégies qui leur permettent de survivre à des conditions difficiles. Les procaryotes prospèrent dans une vaste gamme d'environnements : certains poussent dans des conditions qui nous semblent très normales, tandis que d'autres sont capables de prospérer et de croître dans des conditions qui tueraient une plante ou un animal. Presque tous les procaryotes ont une paroi cellulaire, une structure protectrice qui leur permet de survivre dans des conditions hyper- et hypo-osmotiques. Certaines bactéries du sol sont capables de former des endospores qui résistent à la chaleur et à la sécheresse, permettant ainsi à l'organisme de survivre jusqu'à ce que des conditions favorables se reproduisent. Ces adaptations, ainsi que d'autres, permettent aux bactéries d'être la forme de vie la plus abondante dans tous les écosystèmes terrestres et aquatiques.

D'autres bactéries et archées sont adaptées pour se développer dans des conditions extrêmes et sont appelées extrêmophiles, ce qui signifie « amoureux des extrêmes ». Les extrêmophiles ont été trouvés dans toutes sortes d'environnements : au fond des océans, des sources chaudes, de l'Arctique et de l'Antarctique, dans des endroits très secs, au plus profond de la Terre, dans des environnements chimiques difficiles et dans des environnements à fort rayonnement (Figure 22.5), juste pour n'en citer que quelques-uns. Ces organismes nous permettent de mieux comprendre la diversité procaryote et ouvrent la possibilité de trouver de nouvelles espèces procaryotes pouvant conduire à la découverte de nouveaux médicaments thérapeutiques ou avoir des applications industrielles. Parce qu'ils ont des adaptations spécialisées qui leur permettent de vivre dans des conditions extrêmes, de nombreux extrêmophiles ne peuvent pas survivre dans des environnements modérés. Il existe de nombreux groupes différents d'extrêmophiles : ils sont identifiés en fonction des conditions dans lesquelles ils poussent le mieux, et plusieurs habitats sont extrêmes de plusieurs manières. Par exemple, un lac de soude est à la fois salé et alcalin, donc les organismes qui vivent dans un lac de soude doivent être à la fois alcaliphiles et halophiles (tableau 22.1). D'autres extrêmophiles, comme radiorésistant organismes, ne préfèrent pas un environnement extrême (dans ce cas, un environnement avec des niveaux élevés de rayonnement), mais se sont adaptés pour y survivre (figure 22.5).

Type extrêmophile Conditions pour une croissance optimale
Acidophiles pH 3 ou moins
Alcaliphiles pH 9 ou plus
Thermophiles Température 60–80 °C (140–176 °F)
Hyperthermophiles Température 80-122 °C (176-250 °F)
Psychrophiles Température de -15-10 °C (5-50 °F) ou moins
Halophiles Concentration en sel d'au moins 0,2 M
Osmophiles Forte concentration en sucre

Procaryotes dans la mer Morte

Un exemple d'environnement très rude est la mer Morte, un bassin hypersalin situé entre la Jordanie et Israël. Les milieux hypersalins sont essentiellement de l'eau de mer concentrée. Dans la mer Morte, la concentration en sodium est 10 fois plus élevée que celle de l'eau de mer, et l'eau contient des niveaux élevés de magnésium (environ 40 fois plus élevés que dans l'eau de mer) qui seraient toxiques pour la plupart des êtres vivants. Le fer, le calcium et le magnésium, éléments qui forment des ions divalents (Fe 2+ , Ca 2+ et Mg 2+ ), produisent ce que l'on appelle communément de l'eau « dure ». Ensemble, la forte concentration de cations divalents, le pH acide (6,0) et le flux de rayonnement solaire intense font de la mer Morte un écosystème unique et hostile 1 (figure 22.6).

Quelle sorte de procaryotes trouvons-nous dans la mer Morte ? Les tapis bactériens extrêmement tolérants au sel comprennent Halobactérie, Haloferax volcanii (qui se trouve dans d'autres endroits, pas seulement la mer Morte), Halorubrum sodomense, et Haloculum gomorrense, et les archées Haloarcula marismortui, entre autres.

Procaryotes incultivables et état viable mais non cultivable

Les microbiologistes cultivent généralement des procaryotes en laboratoire en utilisant un milieu de culture approprié contenant tous les nutriments nécessaires à l'organisme cible. Le milieu peut être liquide, bouillon ou solide. Après un temps d'incubation à la bonne température, il devrait y avoir des signes de croissance microbienne (Figure 22.7). Le processus de culture des bactéries est complexe et constitue l'une des plus grandes découvertes de la science moderne. Le médecin allemand Robert Koch est crédité d'avoir découvert les techniques de culture pure, y compris la coloration et l'utilisation de milieux de croissance. Son assistant Julius Petri a inventé la boîte de Pétri dont l'usage persiste dans les laboratoires d'aujourd'hui. Koch a travaillé principalement avec le Mycobacterium tuberculosis bactérie qui cause la tuberculose et a développé des postulats pour identifier les organismes pathogènes qui continuent d'être largement utilisés dans la communauté médicale. Les postulats de Koch incluent qu'un organisme peut être identifié comme la cause de la maladie lorsqu'il est présent dans tous les échantillons infectés et absent dans tous les échantillons sains, et qu'il est capable de reproduire l'infection après avoir été cultivé plusieurs fois. Aujourd'hui, les cultures restent un outil de diagnostic principal en médecine et dans d'autres domaines de la biologie moléculaire.

Certains procaryotes, cependant, ne peuvent pas se développer en laboratoire. En fait, plus de 99% des bactéries et des archées sont incultivables. Pour la plupart, cela est dû à un manque de connaissances sur ce qu'il faut nourrir ces organismes et comment les cultiver. -facteurs, ou co-métabolites. Certaines bactéries ne peuvent pas être cultivées car ce sont des parasites intracellulaires obligatoires et ne peuvent pas être cultivées en dehors d'une cellule hôte.

Dans d'autres cas, les organismes cultivables deviennent incultivables dans des conditions de stress, même si le même organisme pouvait être cultivé auparavant. Les organismes qui ne peuvent pas être cultivés mais qui ne sont pas morts sont dans un viable mais non cultivable (VBNC) état. L'état VBNC se produit lorsque les procaryotes répondent aux facteurs de stress environnementaux en entrant dans un état dormant qui permet leur survie. Les critères pour entrer dans l'état VBNC ne sont pas complètement compris. Dans un processus appelé réanimation, le procaryote peut reprendre une vie « normale » lorsque les conditions environnementales s'améliorent.

L'état VBNC est-il un mode de vie inhabituel pour les procaryotes ? En effet, la plupart des procaryotes vivant dans le sol ou dans les eaux océaniques ne sont pas cultivables. Il a été dit que seule une petite fraction, peut-être un pour cent, des procaryotes peut être cultivée dans des conditions de laboratoire. Si ces organismes ne sont pas cultivables, alors comment sait-on s'ils sont présents et vivants ? Les microbiologistes utilisent des techniques moléculaires, telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR), pour amplifier des portions sélectionnées d'ADN de procaryotes, démontrant ainsi leur existence. Rappelons que la PCR peut faire des milliards de copies d'un segment d'ADN dans un processus appelé amplification.

L'écologie des biofilms

Jusqu'à il y a une vingtaine d'années, les microbiologistes considéraient les procaryotes comme des entités isolées vivant à part. Ce modèle, cependant, ne reflète pas la véritable écologie des procaryotes, dont la plupart préfèrent vivre dans des communautés où ils peuvent interagir. UNE biofilm est une communauté microbienne (figure 22.8) maintenue ensemble dans une matrice à texture gommeuse qui se compose principalement de polysaccharides sécrétés par les organismes, ainsi que de quelques protéines et acides nucléiques. Les biofilms se développent attachés aux surfaces. Certains des biofilms les mieux étudiés sont composés de procaryotes, bien que des biofilms fongiques aient également été décrits ainsi que d'autres composés d'un mélange de champignons et de bactéries.

Les biofilms sont présents un peu partout : ils peuvent provoquer le colmatage des canalisations et coloniser facilement les surfaces en milieu industriel. Lors des récentes épidémies à grande échelle de contamination bactérienne des aliments, les biofilms ont joué un rôle majeur. Ils colonisent également les surfaces domestiques, telles que les comptoirs de cuisine, les planches à découper, les éviers et les toilettes, ainsi que des endroits sur le corps humain, tels que la surface de nos dents.

Les interactions entre les organismes qui peuplent un biofilm, ainsi que leur environnement protecteur exopolysaccharidique (EPS), rendent ces communautés plus robustes que les procaryotes libres ou planctoniques. La substance collante qui maintient les bactéries ensemble exclut également la plupart des antibiotiques et des désinfectants, ce qui rend les bactéries du biofilm plus résistantes que leurs homologues planctoniques. Dans l'ensemble, les biofilms sont très difficiles à détruire car ils résistent à de nombreuses formes courantes de stérilisation.


Conclusion

Nous avons examiné 15 modèles différents de métabolisme de débordement, allant des analyses de bilan de flux aux modèles d'auto-fabrication non linéaires tels que les modèles de métabolisme et d'expression. Malgré les nombreuses différences entre les modèles, nous pourrions réécrire les noyaux mathématiques de chacun d'eux dans une forme standard concise. Cette forme standard pourrait être analysée en utilisant un principe extremum, affirmant que le nombre de modes élémentaires à croissance maximale est inférieur ou égal au nombre de contraintes limitant la croissance. Le principe extremum implique que le métabolisme de débordement est causé par au moins deux contraintes limitant la croissance. Nous avons donc répertorié tous les modèles examinés avec leurs contraintes proposées. Nous espérons que cette liste servira de source d'hypothèses qui peuvent maintenant être testées à l'aide d'expériences de falsification.


Disponibilité des données et des matériaux

gapseq est implémenté en tant que script shell bash et en R et est disponible gratuitement sous la licence publique générale GNU (v3.0) sur GitHub (https://github.com/jotech/gapseq/). La documentation et les tutoriels pour gapseq sont disponibles sur https://gapseq.readthedocs.io. Tous les résultats présentés dans ce manuscrit ont été produits à l'aide de la version 1.1 spécifique de gapseq, archivé sur GitHub [63] et disponible auprès de Zenodo [132]. Les ensembles de données utilisés à des fins de construction et de validation du modèle ont été obtenus à partir de bases de données et de publications accessibles au public, telles que citées dans les parties respectives du manuscrit. Les scripts et les données utilisés pour les tests d'analyse comparative de cette étude sont disponibles sur le référentiel GitHub, https://github.com/Waschina/gapseqEval.


Les organites sont des composants cellulaires tels que les noyaux, les mitochondries ou les ribosomes. L'isolement de ces composés est parfois nécessaire à leur étude. Pour cela, plusieurs techniques sont possibles, telles que la séparation par gradient de densité (centrifugation) ou la purification par affinité (chromatographie).

Remplacer les tests sur modèles animaux par des modèles ex vivo et in vitro

Chaque développement de médicament suit un processus unique, en termes d'identification, de validation et d'optimisation de candidats médicaments, de protocoles précliniques et cliniques et de commercialisation. Il existe cependant quelques grandes lignes dans les phases de développement du médicament, qui sont décrites ici.

In vivo (du latin "dans le vivant") est une expérience utilisant un organisme vivant entier par opposition à un organisme partiel ou mort, ou un environnement in vitro contrôlé. L'expérimentation animale et les essais cliniques sont deux formes de recherche in vivo. Les tests in vivo sont historiquement utilisés de préférence aux tests in vitro car ils sont mieux adaptés à l'observation des effets globaux d'une expérimentation sur un sujet vivant et peuvent être exigés dans le cadre réglementaire.

Ex vivo (du latin « hors du vivant ») désigne ce qui se passe hors d'un organisme. En science, ex vivo fait référence à l'expérimentation ou aux mesures effectuées dans ou sur des tissus dans un environnement artificiel en dehors de l'organisme avec une altération minimale des conditions naturelles. Une étude ex vivo largement utilisée est le test membranaire du chickchorioallantoid (CAM). D'autres études d'explants cutanés sont couramment utilisées dans la recherche et le développement cosmétiques.

Les études in vitro (du latin « in glass ») en biologie expérimentale sont celles menées en utilisant des composants d'un organisme qui ont été isolés de leur environnement biologique habituel. La culture cellulaire est un type de modèles in vitro. La culture cellulaire in vitro tridimensionnelle (3D) s'est beaucoup développée ces dernières années, notamment grâce à l'utilisation de matrices de gel.La culture 3D est plus représentative de l'environnement in vivo, notamment dans les interactions cellule-cellule. Des modèles complexes de reconstruction in vitro existent, comme les modèles d'épiderme reconstruit.

  1. Développer des solutions alternatives pertinentes - un panel de tests pour répondre aux questions d'aujourd'hui concernant uniquement les animaux
  2. Réduire les coûts des modèles complexes ex vivo ou in vitro
  3. Préparer le passage au niveau réglementaire

Lignées cellulaires : critères de sélection

Les lignées cellulaires sont à la base des travaux de recherche de nombreux laboratoires. Leur choix est crucial et doit être fait de manière éclairée, en tenant compte des critères suivants.

Authenticité de la lignée cellulaire

Il existe plus de 400 lignées cellulaires mal identifiées enregistrées dans une base de données spécifique. Il est alors important, lorsque vous commencez à travailler avec une nouvelle lignée cellulaire, d'être sûr que c'est ce que vous pensez qu'elle est. Assurez-vous d'obtenir votre lignée cellulaire auprès d'une banque de cellules de confiance telle que ATCC, DSMZ ou ECACC.

Vérifier la contamination

Malgré le risque de résultats erronés ou non reproducteurs associés à une infection mycoplasmique d'une culture cellulaire, ils sont souvent négligés en raison de la taille du micro-organisme et de leurs différences structurelles par rapport aux autres bactéries. Cependant, de nombreux tests existent pour vérifier l'absence de mycoplasmes : PCR, ELISA, marquage ADN, tests de croissance, etc.

Préférez un nombre de passage bas

Les lignées cellulaires présentent une certaine instabilité génétique : à chaque division, des erreurs s'intègrent dans le génome des cellules, créant des différences dans le temps. Ces différences sont régulièrement révélées en comparant les profils de lignées cellulaires équivalentes primaires et cultivées ayant subi un nombre élevé de passages. Les bonnes pratiques consistent à partir d'un stock de cellules passe-bas correspondantes sur une base régulière (2 à 3 mois, selon la lignée), et à référencer le nombre estimé de passes dans chaque expérience.

Pour chaque question biologique, une lignée cellulaire préférée ?

Si la question biologique peut être liée à une pathologie particulière, alors il est essentiel de choisir la lignée cellulaire qui deviendra alors le « modèle » de la maladie. Mais le choix, aussi critique soit-il, n'est pas toujours évident. Point de départ de la recherche, l'Encyclopédie des lignées cellulaires cancéreuses (CCLE) permet au public d'accéder aux données génétiques d'environ 1000 lignées cellulaires et aide à orienter les choix. L'autre source de référence est la base de données COSMIC (Catalogue of Somantic Mutations in Cancer), qui fournit également des données sur les mutations dans les lignées cellulaires cancéreuses.

Si la question biologique est indépendante d'une pathologie particulière, alors les souches de référence sont typiquement celles utilisées dans des travaux de recherche antérieurs. Cependant, cette approche introduit un biais, puisque certaines lignées cellulaires sont plus utilisées que d'autres.
La solution scientifique appropriée pourrait être, par exemple, de tester plusieurs lignées cellulaires sur un test déjà validé, ce qui renforce la pertinence des observations faites sur une lignée utilisée pour l'ensemble de l'étude.

Retrouvez notre article de blog sur les cellules HeLa pour en savoir plus sur cette lignée cellulaire avec 75 000 articles scientifiques !

Les différents types de prestataires

De multiples acteurs sont impliqués dans la culture cellulaire : sociétés de services, banques de cellules et plateformes académiques spécialisées.

Entreprises de services

De nombreuses sociétés de services produisent des outils pour la culture cellulaire tels que des explants, des milieux de culture spécifiques. Des entreprises spécialisées peuvent également générer des lignées cellulaires stables ou des cellules pluripotentes induites (IPSC) et effectuer des tests sur celles-ci.

Banques de cellules

Les lignées primaires et les lignées cellulaires sont généralement fournies par des banques de cellules privées ou publiques.

Structures académiques

Des plateformes académiques spécialisées en biologie cellulaire proposent des tests in vitro, en fonction de leurs capacités.

Pourquoi une culture primaire cesse-t-elle (ou continue-t-elle) de croître ?

La culture cellulaire primaire est la dissociation des cellules d'un tissu parental animal ou végétal par des mesures enzymatiques ou mécaniques et le maintien de la croissance cellulaire dans un substrat approprié, dans des récipients en verre ou en plastique, dans des conditions environnementales contrôlées.

Les cellules dérivées de cultures primaires ont une durée de vie limitée. Les cellules ne peuvent pas être conservées indéfiniment pour plusieurs raisons. L'augmentation du nombre de cellules en culture primaire entraînera un épuisement du substrat et des nutriments. De plus, l'activité cellulaire augmentera progressivement le niveau de métabolites toxiques dans la culture, ce qui inhibera la croissance cellulaire.

Les cellules peuvent ensuite être remises en suspension et placées dans un nouveau milieu, éliminant ainsi les métabolites toxiques. C'est ce qui constitue une culture secondaire, le but est de générer un plus grand nombre de cellules, et de maintenir les cultures en vie. Cependant, il existe un risque que les cellules évoluent et se transforment ou acquièrent des modifications génétiques. La qualité du test sera déterminée par la capacité d'analyse et d'interprétation.

Technologies utilisées

Préparation d'échantillons d'organismes

Méthodes de séparation - centrifugation

Tarifs estimés pour ce type de prestations

150 € - 1 500 € par lignée cellulaire ou culture primaire
Un test in vitro coûte généralement à partir de 1 000 €.
Un test d'explantation commence à partir de 5 000 € - 10 000 €.


22.1 Diversité procaryote

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Décrire l'histoire évolutive des procaryotes
  • Discuter des caractéristiques distinctives des extrêmophiles
  • Expliquez pourquoi il est difficile de cultiver des procaryotes

Les procaryotes sont omniprésents. Ils couvrent toutes les surfaces imaginables où il y a suffisamment d'humidité, et ils vivent également sur et à l'intérieur de pratiquement tous les autres êtres vivants. Dans le corps humain typique, les cellules procaryotes sont environ dix fois plus nombreuses que les cellules du corps humain. Ils constituent la majorité des êtres vivants dans tous les écosystèmes. Certains procaryotes prospèrent dans des environnements inhospitaliers pour la plupart des êtres vivants. Les procaryotes recyclent les nutriments – des substances essentielles (comme le carbone et l'azote) – et ils sont à l'origine de l'évolution de nouveaux écosystèmes, dont certains sont naturels et d'autres créés par l'homme. Les procaryotes sont sur Terre bien avant l'apparition de la vie multicellulaire. En effet, les cellules eucaryotes seraient les descendantes d'anciennes communautés procaryotes.

Procaryotes, les premiers habitants de la Terre

Quand et où a commencé la vie cellulaire ? Quelles étaient les conditions sur Terre au début de la vie ? Nous savons maintenant que les procaryotes étaient probablement les premières formes de vie cellulaire sur Terre et qu'ils ont existé pendant des milliards d'années avant l'apparition des plantes et des animaux. La Terre et sa Lune sont datées d'environ 4,54 milliards d'années. Cette estimation est basée sur des preuves de datation radiométrique de matériel météoritique ainsi que d'autres matériaux de substrat de la Terre et de la Lune. La Terre primitive avait une atmosphère très différente (contenait moins d'oxygène moléculaire) qu'aujourd'hui et était soumise à un fort rayonnement solaire. Ainsi, les premiers organismes auraient probablement prospéré là où ils étaient mieux protégés, comme dans les profondeurs de l'océan ou loin sous la surface. de la terre. Une forte activité volcanique était courante sur Terre à cette époque, il est donc probable que ces premiers organismes, les premiers procaryotes, se soient adaptés à des températures très élevées. Parce que la Terre primitive était sujette à des bouleversements géologiques et à des éruptions volcaniques, et était soumise au bombardement par le rayonnement mutagène du soleil, les premiers organismes étaient des procaryotes qui ont dû résister à ces conditions difficiles.

Tapis microbiens

Tapis microbiens ou de grands biofilms peuvent représenter les premières formes de vie procaryote sur Terre, il existe des preuves fossiles de leur présence commençant il y a environ 3,5 milliards d'années. Il est remarquable que la vie cellulaire soit apparue sur Terre seulement un milliard d'années après la formation de la Terre elle-même, ce qui suggère que la « vie » précellulaire qui pouvait se répliquer avait évolué beaucoup plus tôt. Un tapis microbien est une feuille multicouche de procaryotes (figure 22.2) qui comprend principalement des bactéries, mais aussi des archéens. Les tapis microbiens n'ont que quelques centimètres d'épaisseur et ils se développent généralement là où différents types de matériaux s'interfacent, principalement sur des surfaces humides. Les différents types de procaryotes qui les composent effectuent différentes voies métaboliques, et c'est la raison de leurs différentes couleurs. Les procaryotes dans un tapis microbien sont maintenus ensemble par une substance collante ressemblant à de la colle qu'ils sécrètent appelée matrice extracellulaire.

Les premiers tapis microbiens ont probablement obtenu leur énergie à partir de produits chimiques trouvés près des sources hydrothermales. UNE bouche hydrothermale est une rupture ou une fissure à la surface de la Terre qui libère de l'eau chauffée par géothermie. Avec l'évolution de la photosynthèse il y a environ trois milliards d'années, certains procaryotes des tapis microbiens en sont venus à utiliser une source d'énergie plus largement disponible - la lumière du soleil - tandis que d'autres dépendaient encore des produits chimiques des sources hydrothermales pour l'énergie et la nourriture.

Stromatolites

Les tapis microbiens fossilisés représentent le premier enregistrement de la vie sur Terre. Un stromatolite est une structure sédimentaire formée lorsque des minéraux sont précipités hors de l'eau par des procaryotes dans un tapis microbien (figure 22.3). Les stromatolites forment des roches stratifiées constituées de carbonate ou de silicate. Bien que la plupart des stromatolites soient des artefacts du passé, il existe des endroits sur Terre où des stromatolites se forment encore. Par exemple, des stromatolites en croissance ont été trouvés dans le parc d'État du désert d'Anza-Borrego dans le comté de San Diego, en Californie.

L'atmosphère antique

Les preuves indiquent que pendant les deux premiers milliards d'années d'existence de la Terre, l'atmosphère était anoxique, ce qui signifie qu'il n'y avait pas d'oxygène moléculaire. Par conséquent, seuls les organismes qui peuvent se développer sans oxygène—organismes anaérobies- ont pu vivre. Les organismes autotrophes qui convertissent l'énergie solaire en énergie chimique sont appelés phototrophes et sont apparus dans un milliard d'années après la formation de la Terre. Ensuite, les cyanobactéries, également connues sous le nom d'« algues bleu-vert », ont évolué à partir de ces simples phototrophes au moins un milliard d'années plus tard. Ce sont les cyanobactéries ancestrales (Figure 22.4) qui ont commencé l'« oxygénation » de l'atmosphère : l'augmentation de l'oxygène atmosphérique a permis l'évolution d'O plus efficace2-utilisation des voies cataboliques. Il a également ouvert la terre à une colonisation accrue, parce que certains O2 est converti en O3 (ozone) et l'ozone absorbe efficacement la lumière ultraviolette qui aurait pu provoquer des mutations mortelles dans l'ADN. Les données actuelles suggèrent que l'augmentation de O2 les concentrations ont permis l'évolution d'autres formes de vie.

Les microbes sont adaptables : la vie dans des environnements modérés et extrêmes

Certains organismes ont développé des stratégies qui leur permettent de survivre à des conditions difficiles. Presque tous les procaryotes ont une paroi cellulaire, une structure protectrice qui leur permet de survivre dans des conditions aqueuses hypertoniques et hypotoniques. Certaines bactéries du sol sont capables de se former endospores qui résistent à la chaleur et à la sécheresse, permettant ainsi à l'organisme de survivre jusqu'à ce que des conditions favorables se reproduisent. Ces adaptations, ainsi que d'autres, permettent aux bactéries de rester la forme de vie la plus abondante dans tous les écosystèmes terrestres et aquatiques.

Les procaryotes prospèrent dans une vaste gamme d'environnements : certains poussent dans des conditions qui nous semblent très normales, tandis que d'autres sont capables de prospérer et de croître dans des conditions qui tueraient une plante ou un animal. Les bactéries et les archées qui sont adaptées pour se développer dans des conditions extrêmes sont appelées extrêmophiles, ce qui signifie « amateurs des extrêmes ». Les extrêmophiles ont été trouvés dans toutes sortes d'environnements : les profondeurs des océans, les sources chaudes, l'Arctique et l'Antarctique, dans des endroits très secs, au plus profond de la Terre, dans des environnements chimiques difficiles et dans des environnements à fort rayonnement (Figure 22.5), juste pour n'en citer que quelques-uns. Parce qu'ils ont des adaptations spécialisées qui leur permettent de vivre dans des conditions extrêmes, de nombreux extrêmophiles ne peuvent pas survivre dans des environnements modérés. Il existe de nombreux groupes différents d'extrêmophiles : ils sont identifiés en fonction des conditions dans lesquelles ils poussent le mieux, et plusieurs habitats sont extrêmes de plusieurs manières. Par exemple, un lac de soude est à la fois salé et alcalin, donc les organismes qui vivent dans un lac de soude doivent être à la fois alcaliphiles et halophiles (tableau 22.1). D'autres extrêmophiles, comme les organismes radiorésistants, ne préfèrent pas un environnement extrême (dans ce cas, un environnement avec des niveaux élevés de rayonnement), mais se sont adaptés pour y survivre (Figure 22.5). De tels organismes nous permettent de mieux comprendre la diversité procaryote et ouvrent la possibilité de trouver de nouvelles espèces procaryotes pouvant conduire à la découverte de nouveaux médicaments thérapeutiques ou avoir des applications industrielles.

extrêmophile Conditions pour une croissance optimale
Acidophiles pH 3 ou moins
Alcaliphiles pH 9 ou plus
Thermophiles Température 60–80 °C (140–176 °F)
Hyperthermophiles Température 80-122 °C (176-250 °F)
Psychrophiles Température de -15-10 °C (5-50 °F) ou moins
Halophiles Concentration en sel d'au moins 0,2 M
Osmophiles Forte concentration en sucre

Procaryotes dans la mer Morte

Un exemple d'environnement très rude est la mer Morte, un bassin hypersalin situé entre la Jordanie et Israël. Les milieux hypersalins sont essentiellement de l'eau de mer concentrée. Dans la mer Morte, la concentration en sodium est 10 fois plus élevée que celle de l'eau de mer, et l'eau contient des niveaux élevés de magnésium (environ 40 fois plus élevés que dans l'eau de mer) qui seraient toxiques pour la plupart des êtres vivants. Le fer, le calcium et le magnésium, éléments qui forment des ions divalents (Fe 2+ , Ca 2+ et Mg 2+ ), produisent ce que l'on appelle communément de l'eau « dure ». Ensemble, la forte concentration de cations divalents, le pH acide (6,0) et le flux de rayonnement solaire intense font de la mer Morte un écosystème unique et hostile 1 (figure 22.6).

Quelle sorte de procaryotes trouvons-nous dans la mer Morte ? Les tapis bactériens extrêmement tolérants au sel comprennent Halobactérie, Haloferax volcanii (qui se trouve dans d'autres endroits, pas seulement la mer Morte), Halorubrum sodomense, et Haloculum gomorrense, et l'archéen Haloarcula marismortui, entre autres.

Procaryotes incultivables et état viable mais non cultivable

Le processus de culture des bactéries est complexe et constitue l'une des plus grandes découvertes de la science moderne. Le médecin allemand Robert Koch est crédité d'avoir découvert les techniques de culture pure, y compris la coloration et l'utilisation de milieux de croissance. Les microbiologistes cultivent généralement des procaryotes en laboratoire en utilisant un milieu de culture approprié contenant tous les nutriments nécessaires à l'organisme cible. Le milieu peut être liquide, bouillon ou solide. Après un temps d'incubation à la bonne température, il devrait y avoir des signes de croissance microbienne (Figure 22.7). L'assistant de Koch, Julius Petri, a inventé la boîte de Pétri, dont l'utilisation persiste dans les laboratoires d'aujourd'hui. Koch a travaillé principalement avec le Mycobacterium tuberculosis bactérie qui cause la tuberculose et a élaboré des lignes directrices, appelées postulats de Koch, pour identifier les organismes responsables de maladies spécifiques. Les postulats de Koch continuent d'être largement utilisés dans la communauté médicale. Les postulats de Koch incluent qu'un organisme peut être identifié comme la cause de la maladie lorsqu'il est présent dans tous les échantillons infectés et absent dans tous les échantillons sains, et qu'il est capable de reproduire l'infection après avoir été cultivé plusieurs fois. Aujourd'hui, les cultures restent un outil de diagnostic principal en médecine et dans d'autres domaines de la biologie moléculaire.

Les postulats de Koch ne peuvent être pleinement appliqués qu'aux organismes qui peuvent être isolés et cultivés. Certains procaryotes, cependant, ne peuvent pas se développer en laboratoire. En fait, plus de 99 pour cent des bactéries et des archées sont incultivable. Pour la plupart, cela est dû à un manque de connaissances sur ce qu'il faut nourrir ces organismes et comment les cultiver. co-facteurs ou co-métabolites. Certaines bactéries ne peuvent pas être cultivées car ce sont des parasites intracellulaires obligatoires et ne peuvent pas être cultivées en dehors d'une cellule hôte.

Dans d'autres cas, organismes cultivables deviennent incultivables dans des conditions de stress, même si le même organisme a pu être cultivé auparavant. Les organismes qui ne peuvent pas être cultivés mais qui ne sont pas morts sont dans un état viable mais non cultivable (VBNC). L'état VBNC se produit lorsque les procaryotes répondent aux facteurs de stress environnementaux en entrant dans un état dormant qui permet leur survie. Les critères pour entrer dans l'état VBNC ne sont pas complètement compris. Dans un processus appelé réanimation, le procaryote peut reprendre une vie « normale » lorsque les conditions environnementales s'améliorent.

L'état VBNC est-il un mode de vie inhabituel pour les procaryotes ? En effet, la plupart des procaryotes vivant dans le sol ou dans les eaux océaniques ne sont pas cultivables. Il a été dit que seule une petite fraction, peut-être un pour cent, des procaryotes peut être cultivée dans des conditions de laboratoire. Si ces organismes ne sont pas cultivables, alors comment sait-on s'ils sont présents et vivants ? Les microbiologistes utilisent des techniques moléculaires, telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR), pour amplifier des portions sélectionnées de l'ADN des procaryotes, par exemple les gènes de l'ARNr 16S, démontrant leur existence. (Rappelez-vous que la PCR peut faire des milliards de copies d'un segment d'ADN dans un processus appelé amplification.)

L'écologie des biofilms

Certains procaryotes peuvent être incultivables car ils nécessitent la présence d'autres espèces procaryotes. Jusqu'à il y a une vingtaine d'années, les microbiologistes considéraient les procaryotes comme des entités isolées vivant à part. Ce modèle, cependant, ne reflète pas la véritable écologie des procaryotes, dont la plupart préfèrent vivre dans des communautés où ils peuvent interagir. Comme nous l'avons vu, un biofilm est une communauté microbienne (figure 22.8) maintenue ensemble dans une matrice à texture gommeuse qui se compose principalement de polysaccharides sécrétés par les organismes, ainsi que de certaines protéines et acides nucléiques. Les biofilms se développent généralement attachés aux surfaces. Certains des biofilms les mieux étudiés sont composés de procaryotes, bien que des biofilms fongiques aient également été décrits, ainsi que d'autres composés d'un mélange de champignons et de bactéries.

Les biofilms sont présents un peu partout : ils peuvent provoquer le colmatage des canalisations et coloniser facilement les surfaces en milieu industriel. Lors des récentes épidémies à grande échelle de contamination bactérienne des aliments, les biofilms ont joué un rôle majeur. Ils colonisent également les surfaces domestiques, telles que les comptoirs de cuisine, les planches à découper, les éviers et les toilettes, ainsi que des endroits sur le corps humain, tels que la surface de nos dents.

Les interactions entre les organismes qui peuplent un biofilm, ainsi que leurs propriétés protectrices exopolysaccharidique (EPS) l'environnement, rendent ces communautés plus robustes que les procaryotes libres ou planctoniques. La substance collante qui maintient les bactéries ensemble exclut également la plupart des antibiotiques et des désinfectants, ce qui rend les bactéries du biofilm plus résistantes que leurs homologues planctoniques. Dans l'ensemble, les biofilms sont très difficiles à détruire car ils résistent à de nombreuses formes courantes de stérilisation.

Connexion visuelle

Par rapport aux bactéries flottantes, les bactéries présentes dans les biofilms présentent souvent une résistance accrue aux antibiotiques et aux détergents.Pourquoi pensez-vous que cela pourrait être le cas?


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