Microcystine

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La microcystine est le nom d'une famille de différents variants d'une toxines bactérienne (elle est parfois trouvée avec une autre toxine, la cylindrospermopsine). Elle est produite par des bactéries vivant en eau douce, souvent stagnante, mais pas toujours (en Australie, une pullulation de cyanophycées toxiques a touché environ 1 000 km de la Darling, empoisonnant mortellement au moins 2 000 bovins[1] qui s'y sont abreuvés.


Cette molécule, très résistante, dite « heptapeptide » car constituée de sept acides aminés qui se rejoignent aux extrémités pour former une structure cyclique.

Les pullulations de bactéries produisant de la microcystine semblent en augmentation récente. Et elles pourraient être sous-estimée. Elles causent des mortalité d'animaux sauvages et domestique (bétail, chiens, chats...)[2]. Elle peut aussi affecter les humains[3] (ex : 60 personnes mortes en 1996 lors d'une intoxication à l'hôpital de Caruaru au Brésil[1]).

Les microcystines sont le type de cyanotoxine le plus étudié à ce jour.
En 2004, les toxicologues et biologistes en avaient déjà identifié plus de soixante-dix variantes[4].

Elles sont produites par plusieurs genres de cyanobactéries qui regroupent de nombreuses espèces présentes sur touts les continents où elles produisent occasionnellement (et de plus en plus souvent - chaque année dans certains lacs) des efflorescences potentiellement hépatotoxiques. Ces bactéries appartiennent principalement aux genres Oscillatoria, Nodularia, Microcystis, Planktothrix, Anabaena et Aphanizomenon. Une même efflorescence peut associer plusieurs espèces appartenant à plusieurs de ces genres de bactéries.

Enjeux[modifier | modifier le code]

Ils sont toxicologiques et sanitaires (qualité des eaux de baignade, qualité de l'eau potable[5],[6],[7], qualité de la viande de gibier ou du bétail, et même du lait dans lequel la toxine peut passer (chez la vache par exemple[8]). mais aussi et écotoxicologiques et de connaissance et relèvent notamment de l'évaluation environnementale, du monitoring environnemental[9] et de l'évaluation et la gestion des risques[10].

Biochimie, description[modifier | modifier le code]

Structure moléculaire générale des microcystines.
Exemple de bloom planctonique du à la pullulation d'une cyanobactérie, dans un plan d'eau urbain (eau douce et stagnante) et éclairée de nuit. Quand la bactérie meure ou qu'elle est ingérée, elle peut libérer ses toxines
Autre aspect possible d'une efflorescence cyanobactérienne

Squelette de la microcystine : 1, D-Alanine ; 2, X (variable); 3, D-MeAsp (D-érythro-b-méthyl-D-acide aspartique) ; 4, Z (variable); 5, Adda (acide (2S, 3S, 8S, 9S)-3-amino-9-méthoxy-2-6-8-triméthyl-10-phényldéca-4,6-diènoïque) ; 6, D-glutamate; 7, Mdha (N-méthyldéhydroalanine). R1 et R2 sont H (déméthylmicrocystines) ou CH3[11].

Variantes de la toxine[modifier | modifier le code]

Elles proviennent majoritairement de substitution d’acide aminé en position 2 et 4 ou bien du retrait/ajout d’un groupement méthyle sur les fonctionnalités 3 et 7.

Les acides aminés les plus communs à la position X sont la leucine (L), l’arginine (R) et la tyrosine (Y), alors qu’à la position Z on retrouve généralement l’arginine (R), l’alanine (A) et la méthionine (M)[4]. Le tableau suivant présente les différents acides aminés retrouvés à chaque position et la combinaison de ces possibilités explique le fait qu’il y ait autant de microcystines.

Variation structurelle possible à chaque position[12].
AA 1 AA 2 AA 3 AA 4 AA 5 AA 6 AA 7
D-Ala L-Leu D-MeAsp L-Arg Adda D-Glu Mdha
D-Ser L-Arg D-Asp L-Aib ADMAdda D-MeGlu Dha
L-Ala L-Ala DMAdda E(OMe) Dhb
L-Glu L-Glu (6Z)Adda L-Ala
L-GluMe L-GluMe L-MeSer
L-Har L-Har L-Ser
L-Hil L- Hph Mdhb
L-Hph L-Hty MeLan
L-Hty L-Leu
L-Met L-Met
L-Met(O) L-Met(O)
L-Phe L-Phe
L-ThTyr L-Trp
L-Trp L-Tyr
L-Tyr L-Val

Aib = Acide Aminoisobutytique ADMAdda = O-acétyl-O-déméthylAdda Dha = Déhydroalanine Dhb = Déhydrobutyrine DMAdda = O-déméthylAdda E(OMe) = acide Glutamique méthylester Har = Homoarginine Hil = Homoisoleucine Hph = Homophénylalanine Hty = Homotyrosine MeLan = N-méthylanthionine Met(O) = Méthionine-S-oxide MeSer = N-Méthylsérine ThTyr = 1,2,3,4-tétrahydrotyrosine (6Z)Adda = Stéréo-isomère de Adda

Selon leur composition, les microcystines présentent une gamme de poids moléculaires située entre 900 - 1 100 Da.

Ces molécules sont très solubles dans l’eau et peu volatiles.

Résistance[modifier | modifier le code]

À cause de leurs structures cycliques, elles sont très résistantes face aux conditions ambiantes et elles tolèrent différentes conditions de pH et de températures. De plus, elles peuvent rester stables pendant des années[13], voire sous forme de traces durant des siècles, millénaires[1] voire centaines de milliers d'années si elles ne sont pas en contact avec la lumière.

Prévalence[modifier | modifier le code]

Bien que la première mortalité par empoisonnement bactérien de groupes d'animaux n'ait été rapportée qu'au XIXe siècle (par Georges Francis en 1878 dans le journal Nature [14]), des épidémies zoonotiques de ce type ont été rapportées sur tous les continents au XXe siècle, préoccupants car les blooms saisonniers semblent en augmentation dans de nombreux pays.
De nombreux indices laissent penser que de tels phénomènes sont anciens ; les populations indigènes amérindiennes du Nord de l'Amérique, d'Afrique et d'Australie connaissaient la nature toxique de certaines pullulations de cyanobactéries[15].
Ainsi, des analyses paléobiochimiques de sédiments anciens composés de cyanobactéries très probablement décomposés par d'autres bactéries, benthiques montrent ce qui semble être des pigments et des toxines caractéristiques des cyanobactéries. Ceci laisse penser que des pullulations de cyanobactéries toxiques ont autrefois eu périodiquement lieu de manière saisonnière, par exemple dans des lacs de cratères volcaniques où l'on trouve des accumulations inhabituelles de cadavres de vertébrés aujourd'hui fossilisés (par exemple à Neumark-Nord ou dans d'autres sédiments lacustres tertiaires tels que le schiste bitumineux de Messel (ancien lac volcanique), y compris des mammifères[16]. La position de certains squelettes laisse penser que l'animal a pu mourir empoisonné[17].

En France[modifier | modifier le code]

Dans ce pays, les premiers signalements de blooms planctoniques à cyanophycées dans les rivières mares et réservoirs d'eau potable (lacs de barrages) ont été faits en Bretagne au milieu des années 1990, avec 25 réservoirs identifiés, le plus souvent colonisés par la cyanobactérie Microcystis aeruginosa[18].

La cyanophycée filamenteuse Planktothrix agardhii a par exemple été trouvée dans un lac peu profond et eutrophe, utilisé pour les loisirs et la pêche et relié à la Seine par un canal artificiel, avec dans ce cas une biomasse élevée toute l'année, même en hiver (7.9 ×104 to 4.5×106 trichomes/L)[19]. était dans ce cas associé à une autre cyanobactérie (Limnothrix redekei) toute fois moins présente. Les analyses ont révélé la présence de 5 microcystines différentes dans ces eaux.

Toxicité[modifier | modifier le code]

pour l'Homme[modifier | modifier le code]

Les variant les plus toxiques le sont autant que le curare (à dose égale)[1].

Des empoisonnements dus à la consommation d'eau contaminée par la cyanobactérie toxique Cylindrospermopsis raciborskii ont été étudiés à Palm Island (nord du Queensland, Australie)[20]. Sa toxine a été finement étudiée et même biosynthétisée in vitro, et sa détection et quantification par analyse chimique et biologique ont été améliorées[20]. Les facteurs favorisant la production de toxines par les isolats de culture de C. raciborskii sont mieux compris de même que ceux qui provoquent leur libération dans l'environnement. Diverses stratégies de gestion sont testées dans le monde visant à minimiser la production de toxine ou diminuer ses effets néfastes, par traitement de l'eau ou du milieu ou en cherchant à neutraliser la toxine ou à empêcher la prolifération des cyanophycées. On cherche encore à mieux comprendre les facteurs de risque, la génétique de ces espèces[20]. Et des techniques moléculaires permettent maintenant de caractériser les souches « toxiques » et « non-toxiques »[20].

Mécanisme de la toxicité[modifier | modifier le code]

Les microcystines sont des molécules hépatotoxines (qui détruisent les cellules du foie en désorganisant leur cytosquelette).
Ce sont des inhibiteurs de protéines de types phosphatases (PP1 ou PP2A) qui exécutent la déphosphorylation de phosphoprotéines intracellulaires chez les eucaryotes. Cette inhibition entraîne un dérèglement de la structure de la cellule qui conduit à sa nécrose ; une nécrose massive d'hépatocytes entraîne une hémorragie interne et éventuellement la mort.
De plus, la phosphorylation excessive de protéines anti-tumorales, fait en sorte que les microcystines sont considérées comme des promoteurs de tumeurs[11].

Toxicité variable et saisonnière[modifier | modifier le code]

La toxicité de cette molécule varie fortement d'une part selon l'espèce qui est en contact avec la toxine (certaines espèces y sont naturellement plus résistantes), et d'autre part selon la forme (variant moléculaire) de la molécule de microcystine.

La toxicité des différentes variants de la microcystine semble dépendre du degré de méthylation de certains acides aminés.
Lorsque l’entité ADDA est méthylé, la toxicité de la microcystine diminue considérablement, suggérant que cette partie de la molécule est le site d’interaction majeur avec les phosphatases[21]. De plus, la forme linéaire des microcystines est reconnue pour être cent fois moins toxique[11].

Une saisonnalité des mortalités par intoxication est observée et peut l'être rétroactivement par l'étude des sédiments.

Toxicité pour l'animal, et écoépidémiologie[modifier | modifier le code]

Certains événement attirent l'attention par leur importance géographique (ex. : bloom observé sur 1 000 km environ sur la Darling en Australie, qui a tué au moins 2 000 bovins[1]) ou par une espèce qui semble particulièrement vulnérable (ex. : 320 alligators morts empoisonnés de 1997 à 2001 à la suite des blooms observés sur le lac Griffin (Floride)[1]. En France, en 2003, plusieurs chiens sont morts après avoir bu de l'eau de la Loue [1](dont les sources coulent sur une décharge de munitions non explosées datant de la première Guerre mondiale).

Les mortalités animales surviennent souvent aux mêmes saisons avec certaines conditions météorologique identiques (pas de vent durant une certaine période[22]) et aux mêmes endroits (mêmes points d'eau stagnante) et généralement quand les animaux n'avaient pas d'accès à un point d'eau sain à proximité[22]. Mais les eaux contaminées par les toxines de certaines cyanophycées semblent attirer certains animaux, et en laboratoire, la souris se montre plus attirés par une eau contaminée que par une eau propre ou une eau contenant d'autres bactéries, elle boit l'eau toxique jusqu'à en mourir[23]. Il est possible qu'une telle attraction « fatale »[22] se produise parfois dans la nature ou que des espèces n'aient pas su choisir entre deux points d'eau, l'un contaminé et l'autre ne semblant pas l'être (ex : 15 chiens et 20 moutons morts au Royaume-Uni après avoir bu dans le Rutland water (Leicestershire en 1989[22],[24]).

Certains oiseaux qui se nourrissent en filtrant l'eau (canards, flamand rose[25]...) y sont plus exposés.

Risques sanitaires[modifier | modifier le code]

Ils sont liés au risque d'exposition en cas de

  • baignade
  • boisson contaminée ou contamination de grands lacs-réservoirs destinés à produire de l'eau potable[26]
  • inhalation d'aérosols ou embruns contenant la toxine[27],[28]
  • alimentation contaminée.
    Les coquillages et organismes filtreurs peuvent bioconcentrer cette toxine (moule zébrée, anodontes...).
    La présence de microcystines dans certaines microalgues utilisées comme complément alimentaire, en particulier l'algue Klamath, a conduit les autorités sanitaires de l'Oregon a imposer un seuil microcystines à ne pas dépasser dans l'algue Klamath produite à destination humaine en 1996[29]. Cette algue continue à poser des problèmes selon des études italienne[30] et allemande[31] qui ont appelé en décembre 2012 à remettre en question son autorisation de mise sur le marché.

Les blooms algaux sont de plus en plus fréquent en eaux intérieures (lacs de barrages, lacs et étangs urbains... protégés du vent) et des contaminations aux microcystines sont problématiques, dont en Europe[32].

Médecine légale ou vétérinaire[modifier | modifier le code]

Une microcystine peut être évoquée quand un animal présente des symptômes d'empoisonnement ou qu'il meurt dans un contexte où un bloom bactérien de cyanophycées a été constatées. Des analyses biochimiques peuvent permettre de trouver des traces de ces toxines ou de la bactérie qui les produit dans l'estomac. Une nécropsie pratiquée lors d'une autopsie précoce montre une attaque du foie avec nécroses cellulaires. Une étude plus poussée permet de trouver des traces de la toxine dans les tissus.


Notes et références[modifier | modifier le code]

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  2. Stewart, I., Seawright, A. A., & Shaw, G. R. (2008). Cyanobacterial poisoning in livestock, wild mammals and birds–an overview. In Cyanobacterial harmful algal blooms: State of the science and research needs (pp. 613-637). Springer New York.
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Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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