Bactéries et archées

Indiquer trois différences structurales entre une cellule procaryote bactérienne et une cellule eucaryote, et expliquer la conséquence fonctionnelle de chacune.

Observer les bactéries du schéma (A à F). Les classer selon leur forme (coque, bacille, spirille ou vibrion) et, le cas échéant, selon leur groupement (diplocoques, streptocoques, staphylocoques), en donnant un exemple connu quand c'est possible.

Expliquer ce qu'est la paroi cellulaire bactérienne (peptidoglycane) et en quoi consiste la coloration de Gram : quels deux grands groupes elle distingue (Gram positives et Gram négatives) et pourquoi elle est si utile pour choisir un traitement.

1. a) Nommer trois structures externes que peut présenter une bactérie.
2. b) Expliquer la fonction principale de chacune d'elles.

Qu'est-ce qu'une endospore ? Expliquer comment elle se forme, quelle résistance extraordinaire elle possède (chaleur, dessiccation, désinfectants) et pourquoi elle complique la stérilisation en médecine et dans les conserves (exemples : tétanos, botulisme).

Le métabolisme bactérien est très diversifié. Décrire les types photoautotrophe, chimioautotrophe et hétérotrophe : d'où chacun tire son énergie et son carbone, et donner un exemple de bactérie ou de milieu pour chaque type.

Distinguer une bactérie aérobie stricte, une bactérie anaérobie stricte et une bactérie anaérobie facultative, et associer chaque type à un milieu (surface du sol, fond d'une plaie profonde, tube digestif).

Expliquer le rôle essentiel des bactéries dans les cycles de l'azote et du carbone (fixation, nitrification, dénitrification et décomposition) et expliquer ce qui se passerait dans les écosystèmes si elles disparaissaient.

Dans un sédiment aquatique, on analyse la stratification du potentiel redox (E') en profondeur. Les mesures indiquent qu'à 2 cm de la surface, le O₂ dissous est épuisé, qu'à 6 cm le NO_3^- a complètement disparu et qu'à partir de 15 cm on commence à détecter une émission constante de CH_4.

1. a) Justifier, en termes de différence de potentiel redox (\\Delta E') et de rendement de la synthèse d'ATP par phosphorylation oxydative, pourquoi les bactéries dénitrifiantes colonisent et dominent la strate immédiatement inférieure à celle des aérobies stricts, en repoussant les archées méthanogènes vers des couches plus profondes.
2. b) Prédire en le justifiant ce qu'il adviendra du taux d'émission de méthane et de la population active de méthanogènes si l'on injecte artificiellement dans le sédiment anoxique profond une solution concentrée de nitrate de sodium (NaNO_3).

Pendant un été chaud, un réservoir reçoit un rejet riche en phosphore qui fait chuter le rapport azote:phosphore (N:P) de l'eau. Quelques semaines plus tard, une dense couche verdâtre se forme en surface, dominée par des cyanobactéries filamenteuses à hétérocystes, et les analyses détectent des niveaux dangereux de microcystines.

1. a) Justifier pourquoi les cyanobactéries fixatrices d'azote supplantent les microalgues eucaryotes lorsque le rapport N:P diminue fortement. Expliquer quelle incompatibilité biochimique fondamentale l'hétérocyste résout et quelles adaptations structurales et métaboliques il présente pour y parvenir.
2. b) Paradoxalement, bien que les cyanobactéries réalisent la photosynthèse oxygénique, les techniciens du réservoir relèvent une mortalité massive de poissons par anoxie dans les couches intermédiaires et profondes. Déduire les causes écologiques et biochimiques de cet effondrement de l'oxygène le long de la colonne d'eau.

Beaucoup d'archéobactéries sont extrémophiles (thermophiles, halophiles, acidophiles). Décrire quels milieux elles colonisent, quelles adaptations biochimiques leur permettent d'y vivre et pourquoi leur étude intéresse les hypothèses sur l'origine de la vie.

Citer deux différences moléculaires entre eubactéries et archéobactéries (par exemple dans la paroi cellulaire ou dans les lipides membranaires) et expliquer pourquoi elles sont classées dans des domaines distincts.

Les cyanobactéries ont été appelées « algues bleues » pendant des siècles. Expliquer pourquoi ce nom était incorrect (organisation procaryote), quelle photosynthèse elles réalisent (oxygénique) et quel rôle historique elles ont joué dans l'atmosphère terrestre.

Les archéobactéries méthanogènes produisent du méthane. Expliquer où elles vivent (rumen des herbivores, fonds de marais et de rizières, stations d'épuration), de quoi elles se nourrissent et pourquoi leur métabolisme intéresse à la fois le climat (le méthane comme gaz à effet de serre) et l'énergie (biogaz).

Dans une mine de sulfures métalliques, on analyse deux zones : un terril de pyrite (FeS_2) compacté et isolé de l'air, et un autre terril identique mais poreux, humide et exposé aux intempéries. L'eau qui s'écoule de ce second terril a un pH de 1,7 et une forte concentration en ions ferriques (Fe^3+) et en sulfate, du fait de l'action d'Acidithiobacillus ferrooxidans.

1. a) Déduire le rôle joué par A. ferrooxidans comme catalyseur biogéochimique : expliquer quelle espèce chimique elle oxyde, quel est l'accepteur final d'électrons et pourquoi son métabolisme acidifie le milieu de façon aussi marquée. Classer son type métabolique selon sa source de carbone et d'énergie.
2. b) Une entreprise minière utilise des bioréacteurs avec A. ferrooxidans pour lixivier de la chalcopyrite à faible teneur (biolixiviation), tandis que l'agence de l'eau poursuit la mine pour le drainage acide du terril à l'air libre. Justifier chimiquement pourquoi le même processus microbien constitue une biotechnologie propre et rentable dans un contexte, mais une catastrophe écotoxicologique pour les écosystèmes fluviaux dans l'autre.

Pendant des décennies, on a considéré que les eaux rouges et extrêmement acides (pH moyen de 2,2) du Río Tinto (Huelva) étaient exclusivement le fruit de l'activité minière historique. Cependant, des sondages profonds du projet MARTE ont révélé que l'acidité est d'origine biogénique et que le sous-sol anoxique abrite des consortiums vivants de bactéries chimiolithotrophes.

1. a) Si l'intérieur cellulaire de Leptospirillum ferrooxidans doit se maintenir à un pH proche de la neutralité (6,5 à 7,0) pour que ses macromolécules ne se dénaturent pas, justifier quelles adaptations de son potentiel de membrane ou de ses systèmes de transport actif transmembranaire lui permettent d'éviter l'entrée massive passive de protons H^+ depuis le milieu extérieur.
2. b) Le rover de la mission sur Mars a détecté des formations minérales de jarosite (sulfate basique hydraté de potassium et de fer) et d'hématite à la surface martienne. Justifier pourquoi le Río Tinto est utilisé comme analogue terrestre de Mars et expliquer ce que l'astrobiologie en déduit sur l'hydrosphère passée de Mars et sur les biosignatures souterraines que l'on devrait rechercher.

Les biofilms sont des communautés bactériennes fixées sur une surface et enveloppées dans une matrice. Expliquer où ils se forment (tartre dentaire, cathéters, canalisations, galets de rivière), pourquoi ils sont bien plus résistants aux antibiotiques et aux désinfectants que les bactéries libres et quels problèmes ils causent dans les hôpitaux.

Pour réduire les émissions de gaz à effet de serre du bétail, on fournit à un lot de vaches un additif qui bloque l'enzyme méthyl-coenzyme M réductase des archées méthanogènes du rumen. Les premiers jours, les émissions de CH_4 chutent de 80 %, mais on observe une accumulation anormale de H₂ libre dans le rumen et une diminution de la digestion des fibres du fourrage (cellulose).

1. a) Expliquer la relation de syntrophie qui unit les bactéries cellulolytiques et les archées méthanogènes dans des conditions normales, et justifier pourquoi l'accumulation de H₂ libre freine thermodynamiquement la dégradation microbienne de la cellulose (inhibition par le produit lors de la régénération du NAD^+).
2. b) Les vétérinaires corrigent ce problème en augmentant la proportion d'amidon dans la ration, ce qui stimule les bactéries productrices de propionate par rapport à celles qui produisent de l'acétate. Justifier biochimiquement pourquoi la synthèse de propionate agit comme un « puits alternatif d'électrons » qui débloque la fermentation ruminale sans produire de méthane.

La symbiose bactérienne va bien au-delà de l'intestin humain. Décrire un exemple concret — les bactéries luminescentes du calmar (Vibrio fischeri) ou les nodosités à Rhizobium des légumineuses — en expliquant ce qu'apporte chaque partenaire et comment ils se « reconnaissent » pour établir l'association.

Un patient hospitalisé qui reçoit de la clindamycine (un antibiotique à large spectre) pendant trois semaines développe une diarrhée grave due à une infection à Clostridioides difficile. Cette bactérie était présente dans son intestin avant le début du traitement, mais elle représentait moins de 0,1 % de la communauté microbienne et ne causait aucun symptôme. Après l'échec de plusieurs lignes de médicaments, on lui pratique une transplantation de microbiote fécal (TMF) provenant d'un donneur sain, ce qui permet d'éradiquer l'infection en 48 heures.

1. a) Justifier ce tableau clinique en employant avec précision les notions écologiques de niche écologique, d'exclusion compétitive et de résistance à la colonisation.
2. b) Concevoir une expérience simple avec des souris de laboratoire axéniques (exemptes de germes) permettant de discerner si le facteur curatif de la transplantation fécale réside dans la compétition physique directe exercée par des bactéries viables ou dans des métabolites protecteurs thermostables dissous dans le filtrat des selles du donneur.

Qu'est-ce que les plasmides ? Expliquer quel type de gènes ils portent habituellement (résistances aux antibiotiques, toxines) et pourquoi leur capacité à passer d'une bactérie à une autre inquiète les médecins.

Un laboratoire scolaire tente de synthétiser de l'insuline humaine fonctionnelle chez Escherichia coli. Pour cela, les élèves amplifient par PCR le gène complet de l'insuline directement à partir de l'ADN nucléaire d'une biopsie humaine (avec ses introns et ses exons), le ligaturent derrière un promoteur bactérien dans un plasmide et transforment les bactéries. Après induction de la transcription, les bactéries produisent un polypeptide aberrant, inactif et insoluble.

1. a) Analyser au niveau moléculaire les deux obstacles que rencontre la machinerie d'expression génique bactérienne (l'un au niveau de la maturation de l'ARN messager, l'autre au niveau des modifications post-traductionnelles de la protéine) et qui expliquent pourquoi la stratégie a complètement échoué.
2. b) Concevoir les modifications moléculaires précises qu'il faudrait apporter au matériel génétique de départ (origine de la séquence codante) et à la stratégie d'assemblage pour qu'E. coli puisse produire une insuline humaine identique et fonctionnelle (formée des chaînes A et B reliées par des ponts disulfure).

Au laboratoire, on utilise des milieux sélectifs et différentiels. Expliquer ce qu'est chaque type à l'aide d'un exemple (la gélose MacConkey sélectionne les bactéries Gram négatives et distingue les fermenteurs du lactose ; la gélose au sang révèle l'hémolyse) et quelles informations ils apportent pour identifier une bactérie inconnue.

Une équipe de biotechnologie recherche des enzymes bactériennes capables d'hydrolyser le plastique PET à 70 °C à partir d'échantillons de sol volcanique. En ensemençant des dilutions du sol sur des boîtes de Petri avec de la gélose nutritive et en les incubant à 70 °C, elle n'obtient que deux colonies bactériennes qui ne dégradent pas le plastique. Pourtant, en extrayant et en séquençant l'ADN environnemental total (métagénomique) d'un seul gramme de ce sol, elle découvre plus de 300 taxons bactériens distincts, dont des séquences homologues à des gènes de PETases.

1. a) Justifier deux causes écophysiologiques qui expliquent l'incapacité de la grande majorité de ces bactéries du sol à former des colonies sur des boîtes de laboratoire conventionnelles (« la grande anomalie du dénombrement sur boîte »).
2. b) Concevoir une stratégie fondée sur la métagénomique fonctionnelle (construction de banques génomiques et criblage dans des organismes modèles comme Escherichia coli) permettant d'identifier et de produire l'enzyme dégradant le PET sans avoir à isoler ni à cultiver au laboratoire la bactérie thermophile d'origine.