Dans la partie suivante, nous allons présenter les modèles biologiques de cette étude à savoir :
Synechocystis, cyanobactérie appartenant au phytoplancton et à l’origine d’une importante
partie de la biomasse pour les chaînes alimentaires aquatiques et l’homme ; et Escherichia
coli, entérobactérie colonisatrice de l’intestin des mammifères.
II.1.1 Synechocystis
Le premier modèle bactérien que nous avons utilisé lors de cette étude est Synechocystis PCC 6803. Cette bactérie appartient à la famille des cyanobactéries, organismes qui jouent un rôle très important pour le maintien de la biosphère. En effet, riches en protéines et polysaccharides elles participent à la production de la biomasse pour la chaîne alimentaire, et, en tant qu’organisme photosynthétique, au renouvellement de l’oxygène de l’atmosphère et à limitation de l’effet de serre (Partensky et al., 1999 et Zehr et al., 2001).
II.1.1.1 Cyanobactéries
• Description générale
Comme les plantes et les algues, les cyanobactéries effectuent la photosynthèse oxygénique. Pour cela, elles utilisent des pigments collecteurs de lumière tels que la chlorophylle (pigment vert) et la phycocyanine (pigment bleu typique des cyanobactéries). Ceux-ci captent et convertissent l’énergie solaire en énergie « biologique » (ATP) qui permet l’assimilation du carbone atmosphérique en matières biologiques (sucres).
L’abondance de la cyanophycine, relativement à la chlorophylle, est responsable de la coloration bleue-verte des cyanobactéries. C’est ce qui leur a valu pendant longtemps leur nom d’algues « bleues » ou cyanophycées (en grec kuanos signifie « bleu »). Elles ont par la suite été rebaptisées cyanobactéries lorsqu’il est apparu qu’elles ne possédaient pas de membrane nucléaire entourant leur génome, au contraire de tous les eucaryotes (algues, plantes, animaux). Plus précisément, les cyanobactéries sont des procaryotes de type « Gram négatif », c’est-à-dire que leur paroi bactérienne n’est pas capable de fixer la coloration dite de « Gram » au contraire d’autres bactéries dites « Gram positif ».
Il existe une grande diversité d’espèces de cyanobactéries qui représentent un groupe génétiquement et morphologiquement très hétérogène.
Chapitre II : Présentation des modèles
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Photo 1 – Quelques exemples de la diversité morphologique présente chez les cyanobactéries. [Crédit : http://www-cyanosite.bio.purdue.edu/index.html]
Photo 2 – Quelques exemples de la présence de cyanobactéries dans l’environnement. [Crédit : http://www-cyanosite.bio.purdue.edu/index.html]
Les cyanobactéries peuvent se présenter sous forme unicellulaire ou filamenteuse (les cellules filles restent accrochées aux cellules mères). Elles sont planctoniques ou agrégées en biofilm (Photo 1). Les divers pigments (chlorophylles vertes, carotènes orange, xanthophylles jaunes, phycocyanine bleue et phycoérythrine rouge) qui les composent peuvent leur donner des couleurs très variées (jaune, noir, vert, bleu, brun…).
• Habitat
Très présentes dans les océans et les lacs, où elles jouent un rôle important notamment dans le cycle de l’azote, les cyanobactéries sont présentes dans de nombreux environnements (Photo 2). Elles se retrouvent aussi bien dans les milieux aqueux (mer, lac), que dans les sols ou des environnements extrêmes : glaces polaires, sources chaudes et sables du désert (Garcia-Pichel and Pringault, 2001). Leur croissance est favorisée par une eau alcaline riche en minéraux et autres éléments nutritifs. Les cyanobactéries se développent également bien dans divers milieux pollués par l’activité humaine (surabondance de phosphates et nitrates ou métaux lourds) et ont de ce fait un vrai potentiel pour la bioremédiation (pour exemple voir Doshi et
al., 2007).
• Génome
Leur information génétique est portée en majeure partie par une grande molécule circulaire d’ADN (acide désoxyribonucléique) qui code la plupart des fonctions biologiques des cyanobactéries. En plus de ce chromosome, la plupart des cyanobactéries possèdent un ou plusieurs plasmides qui sont de « petites » molécules d’ADN capables de se répliquer de façon indépendante du chromosome. Ce(s) plasmide(s) code(nt) pour diverses fonctions qui peuvent avantager la propagation des cyanobactéries dans certaines conditions environnementales.
Nous utiliserons ces caractéristiques génétiques lors de la construction de mutants.
II.1.1.2 Synechocystis PCC6803
Nous allons nous consacrer à présent plus particulièrement aux particularités de la cyanobactérie Synechocystis PCC6803 qui a été utilisée lors de cette étude. Elle a été choisie car son génome est, depuis plusieurs années, parfaitement séquencé et manipulable. Elle est de ce fait couramment utilisée pour étudier les résistances aux toxiques.
Chapitre II : Présentation des modèles
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Photo 3 - Photographie en microscopie optique d’une culture de Synechocystis PCC 6803 en phase exponentielle. Présence de cellules en division (doublets) et de cellules individuelles (singulets).
Photo 4 - Photographie MET, d’une coupe de bactérie Synechocystis PCC 6803 obtenue au laboratoire et interprétée d’après les travaux de Van de Meene et al., 2005.
• Description générale
Synechocystis PCC6803 (Pasteur Culture Collection 6803) est également déposée dans la
collection américaine sous le numéro ATCC27184 (http://www.lgcpromochem-atcc.com/common/catalog/numSearch/numResults.cfm). Isolée pour la première fois en 1968 dans un lac d’eau douce, elle est une des cyanobactéries les plus étudiées. Sa capacité à pousser aussi bien de façon autotrophe qu’hétérotrophe (en l’absence de lumière mais en présence de glucose), ainsi qu’à être facilement transformable par de l’ADN exogène (elle adsorbe naturellement l’ADN du milieu extérieur), en fait un modèle privilégié pour les études sur la photosynthèse ou l’adaptabilité face à un stress environnemental (Koksharova and Wolk, 2002).
• Habitat
Synechocystis est une cyanobactérie d’eau douce mais elle supporte cependant des salinités
deux fois supérieures à celle de l’eau de mer (Richardson et al., 1983). En laboratoire, elle est généralement cultivée dans le milieu BG 11, milieu riche en minéraux, ou dans le milieu MM (ce qui est le cas de cette étude) qui est un milieu BG11 enrichi en carbonate de sodium et tamponné à un pH légèrement alcalin (pH=7,5) (voir Matériels et méthodes).
• Morphologie
Synechocystis fait partie des cyanobactéries unicellulaires sphériques de diamètre 1 à 2 µm
(Photo 3). La Photo 4 présente les principaux constituants de sa structure cellulaire (résultat obtenu au laboratoire par une observation MET après fixation, coloration et coupes microtomes d’une culture de Synechocystis PCC 6803). L’interprétation a été réalisée d’après les travaux de van de Meene et al., 2006.
Comme toutes les bactéries Gram négatives, leur enveloppe cellulaire est composée d’une couche mince de peptidoglycanes adjacente à la membrane cytoplasmique. Elles possèdent également une membrane extérieure composée de lipopolysaccharides et de phospholipides de charge de surface négative. Les cyanobactéries en général, et Synechocystis en particulier, contiennent un système complexe et très organisé de membranes internes appelées thylakoïdes (structure en forme de sacs aplatis). Dans les thylakoïdes ont lieu les mécanismes de transfert d’électron pour la respiration et la photosynthèse. Cette dernière s’effectue par l’intermédiaire des phycobilisomes, complexes protéiques contenant les pigments photosynthétiques.
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II.1.2 Escherichia coli
Le deuxième modèle biologique que nous avons utilisé lors de cette étude est l’entérobactérie
Escherichia coli RR1. Modèle bactérien privilégié des laboratoires, E. coli se distingue par sa
rapidité de culture (temps de génération de 20-30 min) et par un génome entièrement séquencé et bien connu.
• Description générale
Escherichia coli (appelée également E. coli) est une bactérie Gram négative de la famille des Enterobacteriaceae qui colonise l’intestin des mammifères. Très courante chez l’être humain,
elle a été découverte en 1885 dans des selles de nourrissons. Certaines souches peuvent être pathogènes et à l’origine de gastroentérites, infections urinaires, méningites ou septicémies. Les souches non pathogènes constituent la flore bactérienne dominante des intestins de leur hôte. Elles peuvent leur fournir de la vitamine K2 et les protègent d’invasion par des bactéries pathogènes. L’ancienneté de la découverte de cette souche ainsi que sa facilité de culture en font le modèle bactérien le mieux connu actuellement.
• Habitat
Leur habitat normal est l’intestin des mammifères, mais elles peuvent également survivre dans un environnement extérieur. La présence d’E. coli donne alors des renseignements sur la contamination fécale d’un endroit.
E. coli peut vivre aussi bien de manière anaérobie qu’aérobie et double sa population en 20
min. Cette caractéristique permet d’obtenir des cultures en phase stationnaire en moins de deux heures après repiquage. Afin de se rapprocher au mieux des conditions naturelles de croissance (intestins), E. coli est cultivée au laboratoire à 37°C à l’obscurité et agitée. Le milieu de culture utilisé est riche en nutriments. Dans cette étude nous avons utilisé un milieu classique : Luria Bertani (LB) (voir matériels et méthodes et Sambrook 1989).
• Morphologie
Escherichia Coli est une bactérie en forme de bâtonnet (bacille) de longueur moyenne 1 à 2
µm et de diamètre d’environ 0,4 µm (Photo 5). Nous avons utilisé la souche sauvage RR1 (voir matériels et méthodes). Elles sont, comme les cyanobactéries, gram négatives.
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