Les bactériophages ou comment les bactéries tombent malades

Les bactériophages
ou
comment les bactéries tombent malades.
malades
Marta de Frutos
Laboratoire de Physique des Solides - IBBMC
Université de Paris-Sud.
Arbre phylogénétique du vivant
Eucaryotes
Myxomycètes
Amibes
Animaux
Champignons
Plantes
Ciliés
Flagellés
Trichomonades
Microsporides
Diplomonades
Microorganismes
g
(milieux «familiers»)
Microorganismes
(milieux extrêmes)
¾Animaux
¾Plantes
¾Microorganismes
(levures, algues)
virus
virus
virus
Les virus responsables des maladies humaines
Hépatite B
Variole
Herpès
Rage
Grippe
Sida
Diversité morphologique des bactéries
Escherichia coli
Rhizobium
Neisseria meningitidis
Leuconostoc mesenteroides
Pseudomonas aeruginosa
Helicobacter pylori
Mycoplasm
Salmonella
Spirochète
Staphylococcus
La taille d
d’une
une bactérie
Bactérie Escherichia coli
Taille = 2 µm
La taille de quelques virus
2 µm
m
Hépatite B
(Virus humain)
µm
0.03 µ
Phage T5
(Virus bactérie)
µm
0.1 µ
Bactérie Escherichia coli
Quelques ordres de grandeur
Cheveux = environ 100 µm = 1/10 millimètre
Bactérie = environ 1 µm = 1/100 cheveux
Vi = environ
Virus
i
10-100
10 100 nm = 1/100 à 1/10 bbactérie
té i
Où trouve t-on les bactériophages?…..
Partout où on trouve des bactéries…
Partout,
bactéries
Microorganismes les plus abondants
5 x 1031 phages sur toute la planète
≈ 1 million de phages /goutte d’eau de mer
≈ 100 millions / gramme de terre
Impact
pact éco
écologique
og que
≈ 1 million de phages /goutte d’eau de mer
40% des bactéries de l’océan sont détruites chaque jour par des phages
Rôle important dans la régulation
du cycle du carbone océanique
Les bactériophages:
p g nuisibles?
Bactéries lactiques
Lactococcus lactis,
Lactobacillus delbrueckii
Impact économique important
d
dans
l’i
l’industrie
d
i laitière
l i iè
Ou utiles?
Applications thérapeutiques potentielles (« Phagothérapie »)
Ou comment ttraiter
aite les infections résistantes
ésistantes aux antibiotiques
Thérapie phagique
1934, Tbilissi, Géorgie
Protéines
Molécules qui interviennent dans la construction (constituant majoritaire) et
dans leur fonctionnement des organismes vivants
Hémoglobine
Kératine
Insuline
Collagène
• Elles sont constituées de longues chaînes repliées
• Leur fonction est définie par la composition de la chaîne et son repliement
Composition déterminée par l’ADN
ADN
Chromosome
Hélice d’ADN
Cellule
eucaryote
Informations nécessaires à la production
des protéines
Séquence
ADN
Code génétique
Chaîne (protéine)
Cytosine
Guanine
Adénine
Thymine
Diversité morphologique des phages
95% phages connus
= capside + queue
Tê ou capside
Tête
id
ADN
Queue
Fibres
Matyo - Dossier Pour la Science Les virus ennemis utiles Avril 2006
• Les bactéries (et autres cellules) se reproduisent
• Les virus doivent parasiter une cellule pour se reproduire
Multiplication des bactéries
Nutrition
(Matériel et énergie)
Machinerie
bactérienne
Fabrication des
constituants
bactériens
Reproduction
par division
Multiplication des bactéries (microscopie optique)
Infection des bactéries par les phages
Infection des bactéries par les phages
Infection d’une bactérie par un phage
2) Transfert de l’ADN
3) Destruction
ADN bactérien
1) Fixation
6) Libération
4) Multiplication
5) Assemblage
Infection d’une bactérie (microscopie électronique)
fixation
60 min
Les démarches et voies de recherche
Biologie
i
i
Génétique
Gé
éti
Structure
Propriétés biochimiques
Caractéristiques physiologiques
les mécanismes de l’infection
Physique
???
les mécanismes d’assemblage
Phages et physiciens: une vieille histoire…
1969
Nobel pour la découverte des
mécanismes de réplication
p
et
d’organisation génétique des virus
Biologie « moderne »:
- Biologie moléculaire,
- Microscopie électronique
- Cristallographie RX
1940 - Max Delbrück « A physicist looks at biology »
g
Création de l’Ecole du Phage
1917
Félix d’Hérelle
Découverte des phages
Max Delbrück
Alfred Hershey
Salvador Luria
Prix Nobel de Physiologie et Médecine
Structure de l’ADN
Cristallographie par diffraction de rayons X
James Watson ((biologiste)
g ) et Francis Crick ((Physicien)
y
)
Prix Nobel de Physiologie et Médecine (1962)
Virus et microscopie électronique
RX
Virus 10-100 nm
Premier microscope électronique
(1933)
Ernst Ruska
Prix Nobel de Physique (1986)
Structure tridimensionnelle en microscopie électronique
?
Images (microscopie électronique)
Traitement informatique
des images
Calcul de la structure 3D
Les virus: des structures très organisées
50 nm
10 nm
Agirrezabala et al., J.Mol.Biol., 2005
Trus et al., 2004
Baker et al, 1999
Nano-objets
1 nanomètre = 1 milliardième de mètre = quelques atomes
1 nm
1 nm
100nm
Les phages, des nano-objets?
10 nm
5 nm
10 nm
Kostyuchenko Nat. Struct. Biol. 2003
Fokine PNAS 2004
Des nano-machines qui fonctionnent !!!
Infection et transfert de l’ADN
2) Transfert de l’ADN
3) Destruction
ADN bactérien
1) Fixation
6) Libération
4) Multiplication
5) Assemblage
La question du physicien:
Injection de ll’ADN
ADN dans
la bactérie
Assemblage et entrée
de l’ADN dans la capside
Surface de la bactérie
Quelle est l’origine des forces qui agissent ???
L’ADN du phage est très fortement
replié dans la capside
Ballon de 22 cm
LADN = 15 µm
70 nm
Corde de 120 m et 6mm
60% remplissage !!!
Propriétés physiques de l’hélice d’ADN
Chaîne semi-rigide
g
Energie très importante stockée dans le phage!!!
Pression
Cette p
pression fait-elle sortir l’ADN du p
phage?
g
?
Modèle simplifié = Etude du phage seul, sans la bactérie
Mesures de pression
Pression osmotique
Pression
osmotique
Eau
Eau
Eau
Membrane
semi-perméable
Eau
+
soluté
Eau
Capside
semi-perméable
Eau
+
soluté
La pression osmotique
s’exerce sur l’ADN à
travers la capside.
Effet de la p
pression sur le p
phage
g
Pression
Quantité d’ADN qui reste dans le phage
quand on exerce une pression
Mesure de la quantité d’ADN à l’intérieur du phage
Microscopie électronique
Diffusion de la lumière
LPS, Eric Raspaud
LPS, Françoise Livolant
Pression à l’intérieur du phage
% ADN
N à l'in térieeu r
100
80
60
48 bar !
40
20
0
1
10
Pression externe (bar)
100
20 - 150 bar
Transfert de l’ADN dans la capside
Energie
Bactérie
Energie
Moteur qui consomme de l’énergie fournie
par la bactérie
Le moteur d’entrée de l’ADN: la protéine portale
Pore de p
passage
g de l’ADN
Queue
Agirrezabala et al., J.Mol.Biol., 2005
F ti
Fonctionne
avec d’autres
d’ t protéines
téi
Utilise l’énergie chimique fournie par la bactérie
Comment étudier un moteur moléculaire?
Mesure avec des pinces optiques
Piège optique
Bille
ADN
Capside
Bille
Bill
Pipette
Smith et al, Nature, 2001
Vitesse de traction,
longueur maximale,
force maximale,
variation dans le temps,…
Principe des pinces optiques
Temps (s)
Nombre me
esures
Force
e (pN)
Long
gueur ADN extérieur (kpb))
Caractéristiques de la portale
F
Force
(pN)
( N)
Smith et al, Nature, 2001
≈ qq min p
pour encapsider
p
qq μm d’ADN (génome entier)
Force maximale = 57 p
pN
Pression max dans la capside ≈ 60 bar
M
Moteur
moléculaire
lé l i parmii les
l plus
l puissants
i
étudiés
é dié
Le transfert de l’ADN vu par les physiciens
Assemblage et transfert
de l’ADN dans la capside
Energie
Fixation sur la bactérie
Transfert de l’ADN dans
la bactérie
Pas
d’énergie
Et dans la bactérie?
Etudes physiques
¾ Mise au p
point d’instruments de mesure pperformants
ADN
phage
¾Détermination des forces et des sources d’énergie
impliquées dans les mécanismes biologiques
ADN bactérien
MAIS
Mécanismes biologiques complexes:
¾ Transfert de l’ADN du phage nécessite une
participation active de la bactérie
Nécessité
Né
ité d’associer
d’
i des
d
compétences pluri-disciplinaires
(biologie, physique,…)
LPS
Amélie Leforestier
Françoise Livolant
Stéphanie Mangenot
Eric Raspaud
Pascale Boulanger
Lucienne Letellier
IBBMC, Orsay
Sandrine Brasiles
Paulo Tavares
VMS,, Gif sur Yvette
Virgile Viasnoff
Nicolas Chiaruttini
ESPCI, Paris
Carlos São José
Lisboa University,
University Portugal
Et un grand merci à Pascale Boulanger pour les films!!!