La plasticité génétique des bactéries explique à la fois leur adaptation rapide et l'essor des biotechnologies. Ce chapitre traite du génome bactérien et de ses éléments mobiles, des mutations, des trois mécanismes de transfert horizontal, de la régulation de l'expression génique et des outils du génie génétique. Les mécanismes de transfert et l'opéron lactose sont des classiques des examens de S6.
1. Le génome bactérien et les éléments mobiles
Le chromosome bactérien est une molécule d'ADN bicaténaire, le plus souvent circulaire et unique, surenroulée et compactée dans le nucléoïde sans enveloppe. Il est haploïde, très dense en gènes, presque dépourvu d'introns, et ses gènes de fonction voisine sont fréquemment regroupés en opérons transcrits en un ARNm polycistronique. La réplication est bidirectionnelle à partir d'une origine unique, oriC.
S'y ajoutent des éléments génétiques mobiles. Les plasmides sont des ADN circulaires extrachromosomiques à réplication autonome, non indispensables mais porteurs de fonctions utiles : résistance aux antibiotiques (plasmides R), production de toxines ou de bactériocines, dégradation de composés xénobiotiques, facteur de fertilité F. Les séquences d'insertion et les transposons se déplacent d'un réplicon à l'autre et diffusent notamment les gènes de résistance ; les intégrons capturent et expriment des cassettes de gènes.
2. Mutations et réparation
Une mutation est une modification héréditaire de la séquence d'ADN. Elle est spontanée, due aux erreurs de réplication, ou induite par des agents physiques (UV, rayonnements ionisants) et chimiques (analogues de bases, agents intercalants, agents alkylants). Selon la nature du changement, on distingue les substitutions — silencieuses, faux-sens ou non-sens — et les décalages du cadre de lecture par insertion ou délétion, généralement bien plus délétères.
Les mutations sont aléatoires et préexistantes à la pression de sélection : l'expérience de Luria et Delbrück (test de fluctuation) et celle de Lederberg (réplique sur velours) l'ont démontré. L'antibiotique ne crée pas la résistance, il sélectionne les mutants déjà présents. La cellule dispose de systèmes de réparation — correction sur épreuve de l'ADN polymérase, réparation des mésappariements, excision-resynthèse, photoréactivation, réponse SOS — qui maintiennent le taux de mutation à un niveau très bas par gène et par génération.
3. Les trois transferts horizontaux
La transformation est l'incorporation d'ADN libre du milieu par une bactérie à l'état de compétence, suivie de recombinaison homologue ; c'est le mécanisme démontré par Griffith puis Avery, MacLeod et McCarty, et il est naturel chez Streptococcus pneumoniae, Bacillus subtilis ou Neisseria. La conjugaison exige un contact entre cellules : la bactérie donatrice F+ ou Hfr établit un pont via le pilus sexuel et transfère un brin d'ADN à la receveuse F−. Une souche Hfr, dont le facteur F est intégré au chromosome, transfère des gènes chromosomiques dans un ordre reproductible : c'est la base de la cartographie par conjugaison interrompue.
La transduction utilise un bactériophage comme vecteur. Dans la transduction généralisée, un phage virulent encapside par erreur un fragment quelconque d'ADN bactérien lors de la lyse. Dans la transduction spécialisée, un phage tempéré excisé imprécisément d'un site d'intégration emporte les gènes bactériens voisins — d'où sa spécificité. La lysogénie peut aussi conférer de nouvelles propriétés à la bactérie : c'est la conversion lysogénique, qui explique par exemple la toxinogenèse de certaines souches.
4. Régulation de l'expression génique
L'opéron lactose d'E. coli, décrit par Jacob et Monod, est le modèle du système inductible à contrôle négatif. En l'absence de lactose, le répresseur codé par lacI se fixe sur l'opérateur et bloque l'ARN polymérase ; en présence de lactose, l'allolactose joue le rôle d'inducteur, se lie au répresseur, le déforme et libère l'opérateur : les gènes lacZ, lacY et lacA sont transcrits. Un contrôle positif se superpose : le complexe CAP-AMPc, actif seulement quand le glucose est absent, active le promoteur — d'où la répression catabolique et la croissance diauxique sur mélange glucose-lactose.
L'opéron tryptophane illustre le système répressible : le tryptophane, produit final, sert de corépresseur et active le répresseur, ce qui arrête sa propre synthèse ; un mécanisme d'atténuation module finement la transcription. Ces deux logiques — induction des voies cataboliques, répression des voies anaboliques — sont générales et fournissent les promoteurs utilisés en biotechnologie pour piloter l'expression d'un gène d'intérêt.
5. Outils du génie génétique
Le clonage repose sur les enzymes de restriction, endonucléases qui coupent des séquences palindromiques précises et constituent, chez la bactérie, un système de défense contre l'ADN étranger associé à une méthylase protectrice. Le fragment est inséré par une ADN ligase dans un vecteur — plasmide, phage, cosmide — muni d'une origine de réplication, d'un marqueur de sélection et d'un site de clonage multiple. Le vecteur recombinant est introduit par transformation, souvent après choc thermique ou électroporation.
L'amplification par PCR, avec ses trois étapes répétées (dénaturation, hybridation des amorces, élongation par une polymérase thermostable), permet de produire en quelques heures des millions de copies d'une séquence cible. Ces outils, complétés aujourd'hui par le séquençage haut débit et l'édition ciblée du génome, servent à produire des protéines recombinantes — insuline, enzymes industrielles, vaccins — et à améliorer les souches utilisées en fermentation.
Molécule d'ADN extrachromosomique, généralement circulaire, à réplication autonome, portant des gènes non essentiels mais avantageux comme les résistances aux antibiotiques.
Passage de matériel génétique entre deux bactéries contemporaines, sans filiation, par transformation, conjugaison ou transduction.
| Critère | Transformation | Conjugaison | Transduction |
|---|---|---|---|
| Vecteur | ADN libre | Pilus sexuel | Bactériophage |
| Contact cellulaire | Non | Oui, indispensable | Non |
| Condition requise | État de compétence | Donneur F⁺ ou Hfr | Infection phagique |
| Sensibilité à la DNase | Oui | Non | Non |
| Exemple | Pneumocoque | E. coli F⁺ × F⁻ | Phage P1, phage lambda |
Comparaison des trois mécanismes de transfert
- Chromosome circulaire unique, haploïde, dans le nucléoïde ; gènes organisés en opérons.
- Plasmides, séquences d'insertion, transposons et intégrons diffusent les résistances.
- Les mutations sont spontanées et préexistantes : l'antibiotique sélectionne, il ne crée pas.
- Transformation (ADN libre, sensible à la DNase) vs conjugaison (pilus, contact) vs transduction (phage).
- Opéron lac = inductible, contrôle négatif par le répresseur + contrôle positif CAP-AMPc ; opéron trp = répressible.
- Génie génétique : enzymes de restriction, ligase, vecteur, transformation, PCR.
Le tableau des trois transferts est un incontournable : la ligne « sensibilité à la DNase » est le critère expérimental qui permet de trancher, et beaucoup d'étudiants l'oublient. Sur l'opéron lactose, l'erreur classique consiste à ne traiter que le contrôle négatif : pense à mentionner CAP-AMPc, la répression catabolique et la courbe diauxique. Enfin, distingue bien transduction généralisée et spécialisée, souvent confondues.