Frontières pour les Jeunes Esprits

Toutes les Bactéries Sont-elles Mauvaises?

Nous avons toujours beaucoup et beaucoup de bactéries autour de nous, car elles vivent presque partout — dans l’air, le sol, dans différentes parties de notre corps et même dans certains des aliments que nous mangeons, tels que le yogourt, le fromage et les cornichons. Mais ne vous inquiétez pas! La plupart des bactéries sont bonnes pour nous. Certains vivent dans nos systèmes digestifs et nous aident à digérer notre nourriture, et d’autres vivent dans l’environnement et produisent de l’oxygène pour que nous puissions respirer et vivre sur Terre. Mais malheureusement, quelques-unes de ces merveilleuses créatures peuvent parfois nous rendre malades. C’est à ce moment que nous devons consulter un médecin, qui peut prescrire des médicaments pour contrôler l’infection. Mais quels sont exactement ces médicaments et comment luttent-ils contre les bactéries? Ces médicaments sont appelés « antibiotiques », ce qui signifie « contre la vie des bactéries. »Comme leur nom l’indique, les antibiotiques tuent les bactéries ou les empêchent de croître en empêchant un processus spécifique de fonctionner à l’intérieur de la cellule bactérienne. Lorsque les bactéries cessent de croître, notre corps peut alors éliminer l’infection et nous nous sentons mieux.

Le développement des antibiotiques est l’un des plus grands succès de la médecine moderne. Les antibiotiques ont sauvé des millions de vies depuis que les médecins ont commencé à les utiliser dans les années 1940. Les antibiotiques ont aidé les humains à avoir une vie bien meilleure en traitant avec succès presque tous les types d’infections bactériennes. Mais comme nous, les bactéries sont aussi intelligentes! Depuis les années 1940, les bactéries ont développé des tactiques pour surmonter les effets des antibiotiques, et aujourd’hui nous voyons de plus en plus de bactéries qui ne peuvent plus du tout être tuées par les antibiotiques. Celles-ci sont devenues connues sous le nom de bactéries résistantes aux antibiotiques ou de « superbactéries », et elles constituent une menace sérieuse pour la santé des personnes du monde entier. Si nous n’avons pas d’antibiotiques pour arrêter les infections bactériennes, même quelque chose d’aussi simple qu’une petite coupure infectée au doigt pourrait mettre la vie en danger. Par conséquent, de nouvelles armes, sous la forme de nouveaux antibiotiques, sont nécessaires pour traiter les infections causées par des bactéries résistantes aux antibiotiques. Pour trouver de nouveaux antibiotiques, nous devons d’abord bien comprendre le fonctionnement interne de la cellule bactérienne. Notre laboratoire se concentre sur la compréhension de quelque chose de très important sur le fonctionnement des bactéries — la façon dont les bactéries deviennent deux cellules à partir d’une cellule, également appelé processus de division cellulaire bactérienne.

La façon bactérienne de devenir Deux D’un

Comme toutes sortes d’organismes, toutes les bactéries doivent se développer et se multiplier pour survivre en tant qu’espèce. Lorsque suffisamment de nourriture est disponible, les bactéries se multiplient rapidement en doublant de taille, puis en se divisant en deux, pour créer deux nouvelles cellules. C’est le processus de « division » illustré à la figure 1A. Pour ce faire, les bactéries utilisent une sorte de machinerie à l’intérieur de la cellule, appelée anneau Z (anneau vert sur la figure 1). L’anneau Z se forme exactement au milieu de la cellule et s’enroule autour de la cellule. Lorsque la cellule se divise, cela crée deux nouvelles cellules de même taille. Pendant la division, tout ce qui se trouve à l’intérieur de la cellule doit être copié et partagé de manière égale entre les deux nouvelles cellules. Cela inclut l’ADN bactérien (représenté sous forme de taches brunes à l’intérieur de la cellule sur la figure 1), qui est comme un code pour les bactéries qui transporte toutes les informations nécessaires à la survie d’une cellule. Si les nouvelles cellules ne reçoivent pas une copie complète de ces informations, elles ne peuvent pas se développer correctement et ne survivront pas.

La formation du cycle Z exactement au milieu de la cellule est essentielle pour produire deux cellules saines; sinon, une cellule ne contiendra pas d’ADN et mourra (Figure 1B). Il en résulte que seulement la moitié des nouvelles cellules bactériennes survivent, ce qui n’est pas si bon pour la croissance bactérienne. Voici une question très intéressante— comment une cellule bactérienne s’assure-t-elle que l’anneau Z ne se forme qu’au milieu de la cellule et pas ailleurs dans la cellule? L’endroit où l’anneau Z se forme est si important qu’il est sous le contrôle de nombreux systèmes qui travaillent ensemble pour empêcher l’anneau Z de se former ailleurs qu’au milieu de la cellule.

En plus de s’assurer que l’anneau Z se forme au bon endroit, une cellule doit également détecter le bon moment pour former l’anneau Z et se diviser. Cela dépend beaucoup de l’environnement dans lequel se trouvent les bactéries. Par exemple, s’il fait extrêmement froid ou s’il n’y a pas de nourriture autour, les bactéries se développent très lentement et n’ont pas besoin de se diviser très souvent. Un bon moment pour que les bactéries se divisent est lorsque beaucoup de leurs aliments préférés, tels que les sucres simples, sont disponibles. Dans cette situation, les cellules bactériennes se développeront plus rapidement et commenceront à se diviser très rapidement, pour s’assurer que le plus de nouvelles bactéries possible sont produites avant que la nourriture ne s’épuise. Mais la question est: comment les bactéries détectent-elles la présence de nourriture dans leur environnement et utilisent-elles ces informations pour accélérer la croissance et la division cellulaire? C’est la question à laquelle nous voulions répondre dans notre étude.

Notre étude – La nourriture bactérienne n’est Pas simplement pour l’Énergie, Elle En Fait Plus……

La nourriture est décomposée à l’intérieur d’une cellule pour produire de l’énergie et des blocs de construction pour que la cellule se développe, et le processus qui le fait est connu sous le nom de métabolisme. Donc, en d’autres termes, la question que nous avons posée dans notre étude était la suivante: comment le métabolisme est-il lié à la division cellulaire chez les bactéries? Tout d’abord, nous devons vous parler un peu du fonctionnement du métabolisme. Les enzymes sont de minuscules composants à l’intérieur des cellules qui effectuent toutes les réactions chimiques nécessaires à la décomposition des aliments pendant le métabolisme. Le glucose, qui est un sucre simple provenant des aliments consommés par les bactéries, est décomposé par des enzymes en plusieurs étapes, appelées ensemble processus de glycolyse (boîte orange de la figure 2A). La dernière étape de la glycolyse produit un composé appelé pyruvate qui est utilisé pour générer de l’énergie et des blocs de construction pour la croissance de la cellule.

Comme nous vous l’avons déjà dit, une cellule bactérienne saine forme un anneau Z au milieu de la cellule (Figure 2B). Dans notre étude, nous avons constaté que, si l’enzyme qui effectue la dernière étape de la glycolyse est manquante (ce qui signifie que les bactéries ne traitent plus correctement leurs aliments), la cellule bactérienne commence à former l’anneau Z à des endroits autres que le milieu. Comme vous pouvez le voir sur la figure 2C, les cellules dépourvues de l’enzyme impliquée dans la dernière étape de la glycolyse forment des anneaux Z vers une extrémité de la cellule. C’est une mauvaise nouvelle, et ces cellules se divisent incorrectement, produisant une grande cellule et une autre très petite cellule qui ne contient aucun ADN et ne peut donc plus survivre. Ce résultat nous a montré que cette dernière étape de glycolyse est très importante pour le positionnement correct du cycle Z au milieu de la cellule.

On s’est alors demandé si ce changement de position du cycle Z se produisait parce que l’enzyme impliquée dans la dernière étape de glycolyse était manquante, ou parce que le composé produit par cette enzyme, le pyruvate, était manquant ? (voir Figure 2A). Nous avons testé cette possibilité en supprimant l’enzyme, de sorte que les cellules bactériennes ne puissent plus produire elles-mêmes de pyruvate, puis nous avons ajouté du pyruvate comme source de nourriture de la bactérie. Normalement, les cellules dépourvues de l’enzyme qui crée le pyruvate forment des anneaux Z vers les extrémités des cellules, mais lorsque le pyruvate a été ajouté à nouveau, les bactéries ont commencé à former les anneaux Z au milieu de la cellule, comme le font les cellules bactériennes saines. Regardez les différentes positions des cycles Z dans les cellules dépourvues de l’enzyme impliquée dans la dernière étape de glycolyse et lors de l’ajout de pyruvate dans ces cellules, sur les figures 2C, D. Ce résultat a confirmé que ce n’est pas l’enzyme elle—même qui est importante pour la position du cycle Z, mais son produit – le pyruvate. C’était la première fois qu’un lien entre un produit chimique impliqué dans la glycolyse et la division cellulaire était démontré, et le pyruvate est donc devenu le centre de nos autres expériences.

Comment la Disponibilité de la Nourriture Détermine-t-elle la Position de l’Anneau Z?

Avec la découverte que le pyruvate est important pour la formation du cycle Z au milieu de la cellule, nous sommes devenus encore plus curieux de comprendre comment les processus du métabolisme et de la division cellulaire communiquent. Nous savons que lorsque le pyruvate est produit, il est ensuite utilisé par une autre enzyme pour produire de l’énergie dans la cellule. Nous nous sommes demandé si cette deuxième enzyme était située à un certain endroit à l’intérieur d’une cellule bactérienne, ce qui aide l’anneau Z à se former au milieu.

En faisant « briller » l’ADN et l’enzyme, nous pouvons voir où ils se trouvent à l’intérieur de la cellule à l’aide d’un microscope. Chez les bactéries saines, nous avons constaté que l’enzyme et l’ADN étaient situés au même endroit, où ils pouvaient tous deux être vus comme des taches rondes à l’intérieur de la cellule (Figure 3). Dans les cellules qui ne pouvaient pas produire de pyruvate, nous avons constaté que l’enzyme n’était plus présente au même endroit que l’ADN, mais que l’enzyme se déplaçait vers les deux extrémités de la cellule. C’est le même endroit où les anneaux Z se forment dans les cellules qui ne se divisent pas correctement. Nous savons déjà que l’ajout de pyruvate à ces cellules déplace à nouveau le cycle Z au milieu de la cellule, nous nous sommes donc demandés si le pyruvate changerait également l’emplacement de l’enzyme à l’endroit où l’ADN a été trouvé. C’est exactement ce qui s’est passé! Ces résultats ont montré que le pyruvate est important pour le positionnement correct du cycle Z au milieu de la cellule, et le pyruvate le fait d’une manière ou d’une autre en travaillant avec l’enzyme qui utilise le pyruvate pour produire de l’énergie. Cela a du sens, car le pyruvate et l’enzyme travaillent ensemble dans la même voie.

Nos résultats ont montré que le métabolisme et la division cellulaire bactérienne communiquent entre eux par le pyruvate (et l’enzyme qui utilise le pyruvate pour produire de l’énergie) pour s’assurer que l’anneau Z se forme au bon endroit. Chez les bactéries bien nourries (qui peuvent correctement fabriquer du pyruvate), l’enzyme est située au même endroit que l’ADN dans la cellule. À cet endroit, l’enzyme semble aider l’anneau Z à se former au milieu de la cellule, de sorte que la cellule se divise correctement. Cependant, si les cellules ne produisent pas de pyruvate, l’enzyme se retrouve au mauvais endroit, tout comme l’anneau Z (vers les extrémités de la cellule). Ainsi, lorsque les aliments ne sont pas traités correctement et que le pyruvate n’est pas produit, les bactéries commencent à faire des erreurs dans le processus de division cellulaire. Ceci est similaire à ce qui est observé chez les personnes intolérantes au lactose. Lorsqu’ils boivent du lait, ils ne peuvent pas traiter correctement le lactose et tombent donc malades. Ainsi, la capacité de traiter correctement les aliments et d’être en bonne santé est vraiment importante pour tous les êtres vivants. Lorsque les aliments ne sont pas traités comme il se doit chez les bactéries, l’anneau Z se forme à des endroits où il ne devrait pas l’être, ce qui fait que les cellules se divisent dans le mauvais sens, réduisant ainsi le nombre de bactéries susceptibles de survivre à la population bactérienne. Cette erreur de division peut être corrigée en donnant aux bactéries la nourriture correcte (en ajoutant du pyruvate), montrant que la façon dont les bactéries utilisent la nourriture dans leur environnement est essentielle pour leur capacité à se développer et à se diviser.

Pourquoi Nous Soucions–nous du Lien Métabolisme-Division?

La question que nous avons posée dans cette étude était la suivante: comment les bactéries détectent-elles la disponibilité de nourriture dans l’environnement et comment la présence de nourriture affecte-t-elle le processus de division cellulaire? Lorsque la nourriture est facile à trouver, les bactéries se développent et se divisent très rapidement, mais elles se divisent beaucoup plus lentement lorsque la nourriture est rare. On ignore comment les bactéries savent se diviser à des taux différents lorsque différents niveaux de nourriture sont présents. En comprenant mieux comment les bactéries peuvent détecter les sources de nourriture disponibles, en particulier pendant l’infection, et comment la détection des aliments contrôle la croissance bactérienne, nous pouvons empêcher les bactéries d’obtenir le bon type de nourriture ou de pouvoir traiter correctement leur nourriture, ce qui peut les empêcher de se diviser et les empêcher de provoquer des infections. En effet, les bactéries ne peuvent pas se développer correctement si elles ne reçoivent pas la bonne nourriture ou si elles ne traitent pas correctement les aliments. C’est similaire aux humains — nous mangeons de la bonne nourriture pour rester en bonne santé et ne pas manger la bonne nourriture peut nous rendre malades. Par conséquent, l’expression « nous sommes ce que nous mangeons » s’applique également aux bactéries et aux humains. De cette étude, nous avons trouvé un nouveau lien passionnant entre le métabolisme bactérien et la division cellulaire. Mais ces processus sont très complexes et nous venons tout juste de gratter la surface pour essayer de comprendre ce lien — la prochaine étape sera donc de résoudre ce mystère.

Au début de cet article, nous avons parlé de la question de la résistance aux antibiotiques. Quel est le lien entre le métabolisme et la division cellulaire avec la résistance aux antibiotiques? Pour résoudre le problème de la résistance aux antibiotiques, nous devons développer de nouveaux antibiotiques qui ciblent des aspects inexplorés de la croissance et de la survie des bactéries. Bon nombre des antibiotiques actuellement disponibles ciblent les processus que les bactéries utilisent pour fabriquer de l’ADN, des protéines ou la couche externe de la cellule bactérienne. Ces antibiotiques ont eu beaucoup de succès, mais les bactéries ont développé des tactiques pour continuer à faire ces processus, même en présence d’antibiotiques. Dans ce travail, nous avons identifié un nouveau lien entre le métabolisme et la division cellulaire chez les bactéries, qui pourrait servir de cible pour de nouveaux antibiotiques. Si nous pouvions empêcher les bactéries de produire du pyruvate ou changer l’emplacement de l’enzyme qui utilise le pyruvate dans la cellule, le métabolisme et la division cellulaire seront perturbés et les cellules mourront. Si l’on peut fabriquer un antibiotique qui cible deux processus différents importants pour la survie bactérienne (métabolisme et division cellulaire), il sera plus difficile pour la cellule bactérienne de devenir résistante à cet antibiotique, car elle devra développer des tactiques pour surmonter l’effet de l’antibiotique sur ces deux processus. Rendre la résistance aux antibiotiques beaucoup plus difficile à atteindre pour une cellule bactérienne fournira, espérons-le, une nouvelle solution pour lutter contre la résistance aux antibiotiques.

Glossaire

Division cellulaire bactérienne: Processus de division d’une cellule bactérienne en deux cellules.

ADN : Code à l’intérieur d’une cellule qui contient toutes les informations nécessaires à la survie d’une cellule.

Métabolisme: Tous les processus chimiques impliqués dans la conversion des aliments en énergie sont appelés ensemble métabolisme.

Enzyme: Un composant biologique qui aide une réaction à se produire rapidement.

Glucose : Un sucre simple.

Glycolyse: Une voie qui brise le glucose en deux molécules de pyruvate.

Pyruvate : Composé chimique produit après la dégradation du glucose (métabolisé).

Déclaration de conflit d’intérêts

Les auteurs déclarent que la recherche a été menée en l’absence de relations commerciales ou financières pouvant être interprétées comme un conflit d’intérêts potentiel.

Remerciements

RM est soutenu par une bourse du Programme de formation à la recherche du gouvernement australien. AB et EH sont soutenus par une subvention de projet de découverte du Conseil de recherche australien DP150102062.

Article Source original

Monahan, L. G., Hajduk, I. V., Blaber, S. P., Charles, I. G. et Harry, E. J. 2014. Coordonner la division cellulaire bactérienne avec la disponibilité des nutriments: un rôle pour la glycolyse. MBio 5(3): 1-13. doi: 10.1128/ mBio.00935-14