Dispositions générales

Définition 1

la reproduction- le processus de reproduction d'organismes similaires, conduisant à une augmentation du nombre de cellules bactériennes dans la population.

Les bactéries se caractérisent par les types de reproduction suivants :

• division binaire en deux parties- la division se produit symétriquement autour des axes transversal et longitudinal, des cellules filles identiques se forment
• bourgeonnant- une variante de la fission binaire, le rein formé à l'un des pôles grossit jusqu'à la taille de la cellule mère et se sépare ; la symétrie n'est présente que autour de l'axe longitudinal
• division multiple- la cellule subit une série de divisions binaires rapides et successives à l'intérieur de la couche fibrillaire de la cellule mère, ce qui conduit à la formation de béocytes - petites cellules dont le nombre varie de 4 à 1000, à la suite d'une rupture de la cellule paroi du corps de la mère, les béocytes sortent ;
• reproduction par spores;
• par fragmentation cellulaire ayant une forme filamenteuse;
• conjugaison(processus sexuel, échange de cellules avec du matériel génétique) ;
• transformation(transfert d'ADN « nu ») ;
• transduction(transfert d'informations génétiques à l'aide de bactériophages).

Réplication de l'ADN chromosomique bactérien

La réplication chromosomique dans une cellule bactérienne se produit selon un type semi-conservateur, ce qui conduit au doublement de l'ADN du nucléoïde - le noyau bactérien. Dans ce type de réplication, la molécule d’ADN double brin s’ouvre et chaque brin d’ADN individuel est complété par un brin complémentaire.

Le processus de réplication de l’ADN part du point de départ et est catalysé par les ADN polymérases. Dans la région ori, le chromosome d'une cellule bactérienne est relié à la membrane cytoplasmique. Tout d’abord, une déspiralisation (déroulement) du double brin d’ADN se produit. Un fork de réplication est formé, représenté par deux chaînes ramifiées. Une chaîne, étant complétée, lie les nucléotides de l'extrémité 5 à l'extrémité 3, et la deuxième chaîne est complétée segment par segment.

La réplication de l'ADN comprend les étapes suivantes :

• initiation;
• allongement (croissance de la chaîne);
• Résiliation.

À la suite de la réplication, deux chromosomes se forment, qui sont attachés à la membrane cytoplasmique ou à ses dérivés et s'éloignent l'un de l'autre à mesure que la cellule grandit. Après la formation d'une cloison ou d'un rétrécissement de la division, la séparation définitive des chromosomes se produit. Les septa de fission détruisent les enzymes autolytiques.

Reproduction de bactéries dans un milieu nutritif liquide

Remarque 1

Si des bactéries sont plantées dans un certain volume de milieu nutritif, puis se multiplient et consomment des nutriments, elles entraînent l'épuisement de ce milieu, ce qui, à son tour, entraîne l'arrêt de la croissance des micro-organismes.

La culture de micro-organismes dans un tel système est une culture par lots et la culture de bactéries est appelée culture continue.

La croissance d'une culture sur un milieu nutritif liquide peut être :

• bas:
• diffuser;
• superficiel.

La croissance de la culture par lots peut être divisée en plusieurs phases. Ces phases peuvent être représentées sous forme de segments de la courbe de reproduction microbienne (Figure 1).

• Phase de latence. La période entre l'inoculation des bactéries et le début du processus de reproduction. Dure 4-5$ heures. Les micro-organismes augmentent de volume et se préparent à la division. La quantité de protéines, d'acides nucléiques et d'autres composés augmente.
• Phase de croissance du journal. La période de division cellulaire intensive. Durée 5-6$ heures. Les cellules bactériennes sont les plus sensibles.
• Phase de croissance stationnaire(concentration maximale de bactéries). Le nombre de cellules viables est constant, la concentration M (concentration maximale) est observée. La durée de la phase dépend du type et des caractéristiques des bactéries cultivées.
• La phase de mort bactérienne. Dans des conditions d'épuisement du milieu nutritif, ainsi que d'accumulation de produits métaboliques, les bactéries meurent.

Durée de 10$ heures à plusieurs semaines.

Reproduction de bactéries sur un milieu nutritif dense

Lorsqu'elles se développent sur un milieu nutritif dense, les bactéries forment des colonies isolées avec des bords arrondis réguliers ou inégaux, des couleurs et des textures différentes. La couleur du milieu de culture dépend du pigment de la bactérie. Parmi les micro-organismes, les pigments les plus courants sont les carotènes, les mélanines et les xanthophylles. De nombreux pigments ont une activité antimicrobienne semblable à celle d’un antibiotique.

Remarque 2

La forme, la couleur, l'apparence des colonies sur milieux nutritifs solides sont prises en compte lors de l'identification des micro-organismes, de la sélection des colonies pour créer des cultures pures.

Éducation

Comment les bactéries se reproduisent-elles dans des conditions favorables et défavorables ?

Les plus petits organismes de notre planète sont les cellules bactériennes procaryotes. Peut-être que leur taille est l’une des raisons pour lesquelles ils sont capables d’une augmentation colossale de leur nombre. On estime que les bactéries se multiplient normalement toutes les 20 à 30 minutes. Naturellement, le nombre de cellules qui se forment est tout simplement incroyable ! Par jour, en termes de masse, la progéniture d'un individu sera d'environ 5 tonnes.

Toutefois, en raison de divers facteurs limitants, une telle augmentation ne se produit pas. Quelle est la raison d’une reproduction si rapide de ces organismes ? Essayons de comprendre ce problème.

Méthodes de reproduction des bactéries

Il y en a plusieurs. Les conditions extérieures sont le principal facteur qui détermine l'une ou l'autre variante du processus de reproduction. Comment les bactéries se reproduisent-elles dans des conditions favorables ? Il existe deux manières :

• végétativement (asexué);
• bourgeonnant.

Ce sont des méthodes plus rapides, plus simples et plus anciennes sur le plan de l’évolution. Cependant, avec de telles méthodes, il n’y a pas d’échange d’informations génétiques, de sorte que les individus filles sont une copie maternelle exacte.

Mais comment les bactéries se multiplient-elles si les paramètres de la sphère extérieure sont défavorables ? Ensuite, un processus spécial commence, qui a la même base que la reproduction sexuée des organismes multicellulaires - l'échange d'informations génétiques dû à la recombinaison de sections de molécules d'ADN de nucléoïdes voisins dans les cellules.

Examinons chacune de ces options plus en détail et découvrons les caractéristiques de la culture artificielle de populations de micro-organismes.

La reproduction asexuée et ses caractéristiques

Chaque cellule bactérienne exécute tous les processus vitaux :

• respire;
• mange;
• se déplace;
• absorbe et dépense de l'énergie;
• croît;
• se développe.

Le résultat de toute vie est le processus de reproduction asexuée, à la suite duquel la cellule mère donne naissance à de nouveaux individus et meurt progressivement.

Description du processus

La manière dont les bactéries se reproduisent de manière végétative peut être brièvement décrite en quelques paragraphes.

1. La bactérie atteint une certaine taille et un certain apport de nutriments. En conséquence, elle est prête à démarrer le processus.
2. Ensuite, la cellule commence à s'étirer longitudinalement, c'est-à-dire à s'allonger.
3. Dans le même temps, une cloison transversale (constriction) se forme au milieu, qui commence à converger vers le centre de la cellule, la serrant.
4. À l’intérieur se déroule le processus de réplication de la molécule d’ADN, c’est-à-dire la division du nucléoïde.
5. Le matériel génétique est fixé aux parois de la cellule bactérienne aux deux extrémités de la molécule.
6. L'ADN principal et l'ADN répliqué divergent à différents pôles.
7. L'étranglement se ferme et la cellule se divise en deux. Ainsi, deux individus filles sont formés.
8. Les structures manquantes (flagelles, capsules de mucus, etc.) sont complétées séparément pour chaque représentant.
9. Le nucléoïde de la cellule se divise en premier, suivi de la cytokinèse.

Il est évident que la croissance et la reproduction de bactéries selon ce type sont un processus très simple et rapide qui ne nécessite aucune préparation ni particularités spécifiques.

Cependant, chez certaines espèces (par exemple chez la bactérie du foin), le processus ne s'arrête pas là. Deux cellules filles forment un pont entre elles, le long duquel l'ADN passe librement de l'une à l'autre. En se rencontrant, les molécules d'acide nucléique échangent des sites, ce qui conduit à l'apparition de mutations. Après cela, l'ADN retourne dans sa cellule, seulement déjà modifié, avec de nouvelles sections intégrées dans la chaîne. Le pont s’effondre, chaque individu commence une existence indépendante.

Types de division cellulaire

Il existe quelques autres caractéristiques dans la façon dont les bactéries se reproduisent de manière asexuée. Une fois le processus terminé, trois scénarios sont possibles.

1. La cytokinèse et la division nucléoïde se produisent avant que les constrictions aient le temps de se former et les cellules se séparent en deux structures. Par conséquent, dans ces cas, il se produit la formation de diplocoques, de streptocoques, de staphylocoques, de formations multicellulaires en forme de bâtonnet et d'autres formes combinées.
2. Division normale. Dans ce cas, une division végétative opportune et harmonieuse des cellules elles-mêmes ainsi que du matériel génétique et du cytoplasme se produit. En conséquence, deux cellules filles normales sont obtenues à partir d’une cellule mère.
3. La division en cours du matériel génétique est bien en avance sur la division des cellules elles-mêmes. En conséquence, des formes multinucléoïdes se forment.

Après la formation de l’une des colonies ci-dessus, les cellules de beaucoup d’entre elles ont également tendance à se séparer les unes des autres et à exister indépendamment.

Méthodes pour détacher les cellules les unes des autres

Les caractéristiques de la reproduction bactérienne par voie végétative offrent différentes options pour la séparation cellulaire. Il y en a trois au total.

C'est là que s'arrêtent les caractéristiques de la reproduction asexuée (végétative) des individus bactériens.

Reproduction sexuée : caractéristiques

La façon dont les bactéries se reproduisent sexuellement n’a été établie qu’en 1946. Avant cela, seule la variante que nous avons déjà envisagée était connue. On croyait que la réponse à la question de savoir comment les vraies bactéries se reproduisaient était sans ambiguïté : uniquement de manière asexuée en divisant la cellule en deux.

Cependant, des expériences sur des souches d'Escherichia coli ont montré que ses cellules sont capables de conjugaison. C'est le nom d'un processus spécial d'échange de matériel génétique. Et c'est un signe direct de reproduction sexuée.

En tant que tel, il n’y a pas de cellules femelles et mâles parmi les bactéries. Cependant, il y en a toujours un qui contient l’ADN initial (mâle) et un autre qui va le récupérer (femelle). L'ensemble du processus est le suivant.

1. Deux cellules se rapprochent et établissent le contact.
2. Le point de contact s’appelle pili et c’est un tube fibreux creux. Produit par la cellule « mâle ».
3. Ensuite, à travers le canal formé, commence le transfert de l'ADN du père vers la cellule mère.
4. Ici, le matériel génétique se recombine, c'est-à-dire échange des sites. Chaque molécule complète la chaîne manquante.
5. Le processus est très lent, donc lors de son passage la cellule « mâle » est capable de répliquer son ADN plusieurs fois.
6. En conséquence, de nouveaux individus se forment, possédant un matériel génétique recombinant présentant des caractéristiques de cellules mâles et femelles. Et restent également quelques cellules paternelles initiales.

Croissance de colonies bactériennes

Afin d'étudier comment les bactéries se développent et se reproduisent, des milieux nutritifs spéciaux sont préparés, adaptés à chaque espèce. Des souches y sont semées et, en respectant certaines conditions stériles, afin d'éviter la compétition lorsque d'autres micro-organismes sont colonisés, elles observent les changements en cours et la croissance de colonies entières.

Si ce processus n’est pas limité par des facteurs limitants, alors la croissance démographique suit une progression logarithmique. La mort des cellules de manière naturelle - juste en arithmétique.

sporulation

Après avoir entendu que les microbes sont capables de former des structures spéciales - les spores, beaucoup de gens pensent qu'il s'agit d'une autre version de la façon dont les bactéries se reproduisent. Cependant, ce n’est pas le cas.

Une spore n’est qu’un état de repos temporaire de la cellule, dans lequel elle est capable de survivre à des conditions environnementales défavorables. Parfois même des décennies. Cela n'a rien à voir avec les processus de reproduction de la progéniture.

En présence de conditions favorables, la cellule bactérienne se multiplie. La principale façon dont les bactéries se reproduisent est simplement de diviser la cellule en deux (fission binaire). Au début de la division cellulaire, la cellule s'allonge, puis le nucléoïde se divise. Le nucléoïde est représenté par une molécule d'ADN auto-réplicante, super-enroulée et densément emballée : le réplicon. Les plasmides sont également des réplicons. La réplication de l'ADN est réalisée avec la participation d'enzymes ADN polymérase. Le processus commence à un certain point de l’ADN et se déroule simultanément dans deux directions opposées. La réplication se termine également à un endroit spécifique de l'ADN. À la suite de la réplication, la quantité d’ADN dans une cellule double. Les molécules d'ADN nouvellement synthétisées, constituées d'un parent et d'un brin nouvellement synthétisé, divergent progressivement pour donner naissance aux cellules filles. On pense que la réplication de l’ADN prend près de 80 % du temps total consacré à la division d’une cellule bactérienne. Une fois la réplication de l’ADN terminée, la division cellulaire commence. Tout d’abord, une membrane cytoplasmique bicouche est synthétisée, puis du peptidoglycane est synthétisé entre les couches de la membrane. Le processus se termine par la formation d'une cloison.

Lors de la réplication de l’ADN et de la formation d’un septum de division, la cellule du micro-organisme se développe continuellement. Pendant cette période, les processus suivants se déroulent activement dans la cellule : la synthèse du peptidoglycane de la paroi cellulaire et des composants de la membrane cytoplasmique, la formation de nouveaux ribosomes et autres organites. Au dernier stade de la division, les cellules filles se séparent les unes des autres, cependant, chez certains types de bactéries, le processus ne va pas jusqu'au bout, en conséquence, des chaînes de cellules se forment (streptocoques, tétracoques, etc.). Lorsque les bactéries en forme de bâtonnet se divisent, les cellules grandissent d’abord en longueur. Lorsque les bactéries deviennent deux fois plus longues, le bâtonnet se rétrécit quelque peu au milieu puis se divise en deux cellules.

Certaines bactéries se caractérisent par un autre mode de reproduction: le bourgeonnement, qui est une sorte de fission binaire. Les bactéries se reproduisent par bourgeonnement Hyphomicrobium,Pédomicrobium et d'autres, réunis dans le groupe des bactéries naissantes. Ces organismes ressemblent à des bâtonnets allongés, parfois en forme de poire, terminés par des hyphes. La reproduction chez ces bactéries commence par la formation d'un rein au bout d'un hyphe ou directement sur la cellule mère. Le rein se transforme en cellule fille, forme un flagelle et se sépare de la cellule mère. En atteignant l’état mature, le flagelle est perdu et le processus de développement se répète. Parfois, les bactéries ont un processus sexuel - la conjugaison.

À la suite de la croissance et de la reproduction, une colonie de ses descendants se forme à partir d'une cellule d'un micro-organisme. Les micro-organismes se caractérisent par un taux de reproduction élevé, estimé par Temps de génération, c'est à dire. le temps pendant lequel se produit la division cellulaire : parfois, il y a autant de générations qui changent en 24 heures qu'une personne en cinq mille ans. Le taux de reproduction dépend d'un certain nombre de conditions et peut être très différent pour chaque type de bactérie. Si le milieu contient les nutriments nécessaires, une température favorable et une réaction optimale du milieu, la division de chaque cellule, par exemple en E. coli, peut être répétée toutes les 20 à 30 minutes. À un tel taux de reproduction, une cellule peut produire 472 10 19 cellules par jour (72 générations). Si nous supposons qu'un milliard de cellules bactériennes pèsent 1 mg, alors 472 10 19 cellules pèseront 4 720 tonnes. Une telle masse de matière vivante pourrait être obtenue dans des conditions idéales excluant la mort cellulaire.

La forte intensité de reproduction assure la préservation des micro-organismes à la surface de la Terre : lorsque des conditions défavorables se produisent, ils meurent en masse, mais il suffit que quelques cellules survivent quelque part, et dans des conditions optimales elles donneront à nouveau un grand nombre d'organismes.

Dans un premier temps, il vaut mieux rappeler pourquoi les organismes préfèrent généralement la reproduction sexuée à la reproduction asexuée (les exceptions sont assez rares, même si elles doivent être connues). Au cours de la reproduction sexuée, une variabilité combinatoire se produit qui, avec des gènes inchangés, donne de nouvelles combinaisons d'allèles pouvant conduire à des capacités d'adaptation plus efficaces. Les mutations entraînent généralement une rupture de celle existante (si vous vous souvenez de la manière dont les mutations se produisent).
Les bactéries veulent également profiter de la variabilité combinatoire. De plus, ils sont haploïdes (1 molécule d'ADN circulaire), et toute mutation se manifestera dans le phénotype (il n'y a pas de mutations cachées qui seraient masquées par des allèles normaux). Mais les bactéries n’ont pas réellement de reproduction sexuée (la reproduction se produit lorsque le nombre d’individus augmente en conséquence). Il y a un processus sexuel. C'est-à-dire le processus réel d'échange de matériel génétique (recombinaison génétique), dans lequel combien de bactéries ont participé, il en reste tant.

En fait, il existe trois processus. Conjugaison, transformation et transduction.
1. Conjugaison. Le processus de transfert d’un morceau d’ADN d’une cellule à l’autre. Les cellules sont reliées par des "excroissances" - des scies. L'ADN est doublé et sa copie simple brin est transférée à travers le pili vers une autre cellule, remplaçant ou complétant son ADN (le soi-disant facteur F, le plasmide responsable de la protéine pili, est responsable du processus de transfert). Ensuite, le deuxième brin d’ADN est complété. Habituellement, le processus concerne le plasmide F (un petit ADN circulaire auxiliaire de cellules bactériennes contenant seulement quelques gènes), mais la molécule d'ADN principale peut également y être impliquée, puis, lors de la conjugaison, non seulement le gène du facteur F , mais d'autres gènes bactériens pénètrent également dans une autre cellule et remplacent les gènes du receveur. Habituellement, la totalité de l’ADN circulaire n’est pas transférée, mais seulement une partie de celui-ci ; la longueur de la chaîne d'ADN transférée est proportionnelle au temps de contact de deux cellules bactériennes. En conséquence, la formation d'une nouvelle combinaison de gènes peut se produire, ce qui contribue à augmenter l'adaptabilité de la cellule.

2. Transformations. Le processus d'absorption de l'ADN par une cellule bactérienne de l'environnement extérieur et d'intégration dans son génome. Autrement dit, il n’y a aucun contact entre les cellules des deux bactéries. Il est intéressant de noter que la transformation a été découverte avant que le rôle de l’ADN dans la transmission de l’information génétique ne soit découvert. Lors du mélange de souches pathogènes tuées et de souches vivantes non pathogènes de pneumocoques, il s'est avéré que les souches vivantes ont acquis un pouvoir pathogène (le pouvoir pathogène de ces bactéries est déterminé par le fait qu'une capsule de mucus se forme dans les bactéries pathogènes, qui sert de protection supplémentaire pour la cellule contre phagocytes).

Rapport surface/volume y cellules bactériennes très grand, ce qui contribue à l'absorption rapide des nutriments de l'environnement grâce à la diffusion et au transport actif.

Ainsi, dans des conditions favorables, les bactéries peuvent se développer très rapidement. Croissance de cellules bactériennes dépend dans une large mesure de facteurs environnementaux tels que la température, la disponibilité des nutriments, le pH du milieu et la concentration en ions. De plus, les aérobies obligatoires ont besoin d’oxygène, tandis que les anaérobies obligatoires n’en ont pas besoin.

Ayant atteint une certaine taille, dictée par le rapport des volumes du noyau et du cytoplasme, les bactéries passent à reproduction asexuée par simple division, c'est-à-dire par division en deux cellules filles identiques.

la division cellulaire La réplication de l'ADN précède et jusqu'à ce que le processus de réplication soit terminé, les mésosomes peuvent maintenir l'ADN dans une certaine position. Les mésosomes peuvent également s'attacher à de nouvelles cloisons formées entre les cellules filles, participant d'une manière ou d'une autre à la synthèse du matériau de la paroi cellulaire. Les bactéries à croissance la plus rapide se divisent toutes les 20 minutes.

Reproduction sexuée des bactéries

En 1946, des bactéries ont été découvertes reproduction sexuée, mais sous la forme la plus primitive. Dans ce cas, les gamètes ne se forment pas, mais l'événement le plus important de la reproduction sexuée, à savoir l'échange de matériel génétique, se produit également dans ce cas. Ce processus est appelé recombinaison génétique. La recombinaison génétique a été découverte pour la première fois dans l'étude d'E. coli.

Normalement, s’il y a une quantité suffisante de glucose et de sels inorganiques dans l’environnement, il synthétise tous les acides aminés dont il a besoin. Suite à l'irradiation de ces bactéries, elles se développent parfois mutations aléatoires. Deux types de mutants ont été isolés : l'un qui n'est pas capable de synthétiser la biotine (une vitamine) et l'acide aminé méthionine, et l'autre qui n'est pas capable de synthétiser les acides aminés thréonine et leucine.

Dans un milieu ne contenant pas les quatre facteurs de croissance, 108 cellules de chaque souche mutante ont été ajoutées. Théoriquement, les cellules n'aurait pas dû pousser sur ce support. Cependant, plusieurs centaines de colonies ont tout de même été obtenues (chaque colonie est issue d'une cellule originale), et il s'est avéré que ces cellules contiennent tous les gènes nécessaires à la formation de ces quatre facteurs de croissance. Par conséquent, des informations génétiques étaient échangées d’une manière ou d’une autre dans les cellules, mais il n’était pas possible à l’époque d’isoler la substance responsable de ce processus.

Finalement, il a été découvert (à l'aide d'un microscope électronique) que les cellules d'E. coli peuvent entrer directement en contact les unes avec les autres, c'est-à-dire qu'elles peuvent avoir conjugaison.

Ainsi, lors de la conjugaison, l'ADN est transféré entre les cellules en raison de contact direct. Une cellule sert dans ce cas de donneur (cellule « mâle »), l'autre de receveuse (cellule « femelle »). La capacité d'une cellule à servir de donneur est déterminée par les gènes contenus dans un plasmide spécial appelé facteur sexuel ou facteur F (F de l'anglais fertilité - fertilité). Ces gènes codent pour la protéine de pili spécifique appelée K-miles ou sex pili. Les pilules F sont impliquées dans le contact de cellule à cellule pendant la conjugaison.

en buvant- les structures sont creuses et on suppose que c'est par ces pili que l'ADN est transféré du donneur (F+) au receveur (F-). Ce processus est illustré sur la figure.

Notez que la cellule donneuse enregistre le facteur F, et la cellule réceptrice l'acquiert et devient F+. Ce processus se déroule lentement et, par conséquent, avant que le transfert du plasmide F ne soit terminé, la cellule, qui était à l'origine F-, a le temps de se répliquer une ou plusieurs fois et, par conséquent, les cellules F sont toujours préservées dans le population.

Facteur F est particulièrement intéressant car de temps en temps, dans environ 1 cas sur 100 000, il est intégré à la principale molécule d'ADN de la cellule hôte. Ensuite, lors de la conjugaison, non seulement le facteur F est transféré, mais également le reste de l'ADN. Ce processus prend environ 90 minutes, mais les cellules peuvent se disperser avant que l'échange complet d'ADN ne se produise. Ces souches transmettent constamment la totalité ou la majeure partie de leur ADN à d’autres cellules. Ces souches sont appelées souches Hfr (de l'anglais. H - High - high, f - fréquence - fréquence, r - recombinaison - recombinaison), car l'ADN donneur de ces souches se recombine avec l'ADN du receveur.