Le monde des bactéries est fascinant. Tantôt considérées comme dangereux (quand ils nous rendent malades), tantôt comme nos meilleurs amis (quand ils font du bien à notre flore intestinale), ces micro-organismes ont de multiples facettes.
Dans cet article, nous allons nous intéresser aux bactéries en général et à leur métabolisme en particulier : leur structure, leur milieu de vie, leur développement et aux prouesses qu’elles sont capables de réaliser quand on sait les programmer et exploiter leur potentiel.
Petit glossaire du vivant
Avant d’aller plus loin, il nous semble nécessaire de bien situer les bactéries par rapport aux autres êtres vivants qui peuplent la planète. Pour cela, il faut s’attarder sur les caractéristiques de la plus petite unité fonctionnelle et structurelle commune à tous les êtres vivants connus : la cellule.
On distingue ainsi deux grandes familles :
- Les eucaryotes, qu’ils soient uni ou multicellulaires, sont caractérisés par la présence d’un noyau à l’intérieur de leurs cellules. Le domaine eucaryote englobe cinq des sept grands règnes de la taxonomie du vivant : les animaux, les champignons, les plantes, les protozoaires (de minuscules organismes unicellulaires aquatiques) et les chromistes (auxquels appartiennent par exemple les algues brunes).
- Les procaryotes sont des micro-organismes unicellulaires qui se distinguent par leur absence de noyau. Ils sont uniquement formés d’une membrane renfermant le cytoplasme intracellulaire, riche en enzymes, acides aminés, protéines, etc. Les procaryotes rassemblent deux derniers grand règnes du vivant : les archées et les bactéries.
Les bactéries sont une famille très nombreuse dont on découvre de nouveaux membres presque quotidiennement. Elles se différencient notamment par le milieu où elles vivent, mais aussi par la présence (ou l’absence) d’un pouvoir pathogène. En effet, toutes les bactéries ne sont pas vectrices de maladie !
Les bactéries, amies ou ennemies ?
Les bactéries jouent un rôle crucial pour la santé de tous les êtres vivants. Leurs effets peuvent être positifs ou négatifs selon leur impact sur leur hôte ou leur environnement.
Chez les animaux (dont l’humain fait partie !) :
Dans la catégorie des bonnes bactéries, on compte évidemment les célèbres probiotiques, bénéfiques pour la santé digestive et les fonctions immunitaires. Parmi les souches de probiotiques les plus connues sont Lactobacillus (rhamnosus, helveticus, lactis ou encore plantarum), Bifidobacterium longum et Streptococcus thermophilus.
Mais des bactéries peuvent devenir pathogènes dans certaines conditions, comme Escherichia coli ou Staphylococcus aureus, qui peuvent causer des infections si elles pénètrent dans le corps ou si le système immunitaire est affaibli.
Chez les plantes :
Certaines bactéries comme Rhizobium vivent en symbiose avec les plantes. Elles fixent l’azote atmosphérique, le convertissant en une forme assimilable cruciale pour la croissance de ces dernières.
Du côté des mauvaises bactéries, on peut citer Xanthomonas, responsable de maladies comme la tache bactérienne ou la pourriture noire. Cet agent pathogène touche plus particulièrement les cultures de riz, de tomates, de soja et de fruits comme, la cerise, la pêche ou la prune, entrainant d’importantes pertes alimentaires et financières.
Dans les écosystèmes aquatiques :
Les cyanobactéries photosynthétiques produisent de l’oxygène et sont essentielles pour les écosystèmes aquatiques, notamment par le rôle qu’elles jouent dans la chaîne alimentaire.
Mais certaines variétés de ces cyanobactéries produisent des cyanotoxines, qui peuvent contaminer l’eau et causer des problèmes de santé.
Les bactéries, ça vit comment ?
Venons-en enfin au métabolisme énergétique.
Ce terme désigne l’ensemble des réactions biochimiques engagées par un organisme pour favoriser sa croissance et sa survie. Une bactérie doit donc trouver dans un environnement ou un substrat adapté les éléments nécessaires pour répondre à ses besoins physiologiques.
Un milieu de vie et de culture favorable
Ces composants doivent être présents dans un milieu où les conditions de température, de pH, de pression osmotique, etc. sont favorables. Chaque bactérie a ses caractéristiques métaboliques propres.
Par exemple :
- Escherichia coli se développe entre 10°C et 45°C, avec une température idéale de 37°C, alors que Pyrobacterium brockii prospère entre 80°C et 115°C avec une zone optimale comprise entre 102°C et 105°C.
- Les bactéries préfèrent un pH neutre ou légèrement alcalin (7 –7.5) mais les limites sont très larges. Ainsi Escherichia coli se cultive dans un pH allant de 4.4 à 8, Lactobacillus acidophilus exige un pH plutôt acide, voisin de 6, alors que Nitrobacter sp. peut vivre jusqu’à pH 10.
Si ces conditions particulières ne sont pas respectées, la bactérie pourra être inhibée et ne pas pouvoir se développer.
Des sources d’énergie différentes
Pour synthétiser ses constituants et se déplacer, une bactérie doit consommer de l’énergie qu’elle puise dans une quantité plus ou moins importante de substances minérales et organiques : les nutriments. Cette énergie est obtenue soit :
- Par le biais de la photosynthèse, le processus par lequel l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique stockée dans des molécules de glucose. Ce processus s’accompagne de l’absorption de dioxyde de carbone (CO2) et de la libération d’oxygène (O2).
- Par des réactions d’oxydoréduction, c’est à dire la dégradation de composés organiques comme les sucres, les acides gras ou les protéines. Un peu comme pour la digestion humaine.
Lorsque ces réactions sont équilibrées de manière adéquate, elles favorisent la croissance et la reproduction de l’organisme. En revanche, en cas de dysrégulation, elles peuvent entraîner sa mort.
Avec ou sans oxygène ?
Pour finir ce tour d’horizon sur leur métabolisme, il faut savoir que chez les bactéries, l’oxygène n’est pas toujours nécessaire. Selon qu’elles ont besoin ou pas d’O2, on distingue les types de bactéries suivants :
- Les bactéries aérobies strictes qui ne peuvent vivre qu’en présence d’oxygène de l’air.
- Les bactéries anaérobies strictes pour qui l’oxygène est toxique qui leur est toxique.
- Les bactéries aéro-anaérobies facultatives qui se développent aussi bien en présence qu’en absence d’oxygène. Elles sont particulières car les enzymes qu’elles contiennent leur permettent d’utiliser l’oxygène s’il est présent ou la voie fermentaire quand il est absent.
- Les bactéries micro aérophiles ne se reproduisent qu’en présence d’une faible pression d’oxygène.
- Les bactéries anaérobies aéro-tolérantes supportent l’oxygène mais ne peuvent pas l’utiliser. Elles tirent leur énergie exclusivement de la fermentation.
A travers cet aperçu bien loin d’être exhaustif des différents types de bactéries, vous pouvez vous rendre compte que le choix est large quand il s’agit de les sélectionner et de les cultiver.
Quelles applications s’appuient le métabolisme bactérien ?
Ces dernières années, la richesse bactérienne et microbienne combinée aux avancées scientifiques a permis la mise au point de procédés remarquables. Voici deux exemples de ces avancées.
Les bactéries au secours de la planète
Les bactéries sont l’un des éléments de base employés dans les biotechnologies blanches. Elles sont utilisées notamment dans le traitement des eaux usées pour éliminer les polluants. Elles s’y nourrissent des matières organiques présentes dans ces eaux usées ou dans les déchets, et les transforment en substances inoffensives pour l’environnement. Cet usage des bactéries est reconnu comme une approche écologique et économique car elles exploitent des processus naturels pour éliminer les polluants ou produire des énergies renouvelables telles que le méthane.
Les bonnes bactéries sont également utilisées pour la production de biocarburants ou encore dans la fabrication de produits laitiers fermentés comme le yogourt. Elles sont également essentielles pour le recyclage des nutriments dans les écosystèmes, contribuant à la santé du sol et à la productivité agricole.
BGene utilise les bactéries pour produire autrement
Dans notre laboratoire de microbiologie, nous voyons les bactéries comme des micro-usines dont la machinerie interne (leur métabolisme) est capable de produire tout ce qu’on veut si on a les bons outils pour la customiser. Nous sommes des experts du génie génétique bactérien et à ce titre, des experts du métabolisme.
Nos premières innovations portaient sur des outils génétiques innovants pour modifier/orienter le métabolisme à notre façon. Aujourd’hui, grâce à nos outils informatiques (MAD4Bio notamment), nous sommes en capacité de faire des réglages toujours plus fins et toujours plus précis pour atteindre la molécule souhaitée.
En début de chaîne, nos BGeners utilisent leurs compétences en biologie moléculaire et en biologie de synthèse pour conférer aux bactéries de nouvelles fonctionnalités, en les dotant de réactions métaboliques qu’elles ne seraient pas capables de réaliser naturellement.
Ensuite, durant le procédé de fermentation de précision, ces bactéries se nourrissent de matières premières renouvelables sélectionnées et produisent les métabolites pour lesquels nous les avons programmées :
- Fragrances et de parfums pour l’industrie cosmétique.
- Précurseurs d’arômes alimentaires.
- Molécules pour l’industrie pharmaceutique.
