Myxococcus xanthus

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Myxococcus xanthus est une bactérie de l'ordre des Myxococcales, découverte en 1941 par Charles William Beebe. Elle se distingue par son aptitude à se regrouper en « essaim », c'est-à-dire qu’elle ne va plus fonctionner individuellement, mais avoir un esprit de groupe comme les fourmis ou les abeilles. Cette bactérie a de nombreuses applications pour l'homme. Elle est utilisée pour la production de médicaments, comme la myxalamide (antibiotique contre les levures, les moisissures et les entérobactéries). En effet, Myxococcus xanthus a la possibilité de relâcher dans l'environnement environ trois cents métabolites qui ont, entre autres, une action de dégradation des cellules. Par ailleurs, les capacités de minéralisation du carbonate de Myxococcus xanthus peuvent-être utilisées dans la restauration des œuvres d'arts, et dans leur protection contre l'érosion.

Caractéristiques bactériologiques[modifier | modifier le code]

Myxococcus xanthus appartient à la famille des protéobactéries et plus particulièrement à celle des myxobactéries. C’est une bactérie à gram négatif et qui peut sporuler. Cette bactérie possède donc deux types de formes ; la forme normale et la forme sporulée qui est une forme de protection de la bactérie. De plus cette bactérie est chimiotrophe et organotrophe ; elle peut donc se nourrir à la fois de matière organique et d’énergie chimique provenant de la dégradation des composés alimentaires. Cette bactérie vit en aérobie, elle a donc besoin d’oxygène pour survivre dans un environnement. Myxococcus xanthus possède un génome de 9,2 Mbp (millions de paires de bases) et sa proportion de guanine plus cystéine est de 67,5 %. La bactérie est considérée comme inoffensive pour l’être humain.

Elle vit préférentiellement sur la surface de la terre dans de milieux inhabités avec un pH compris entre 5 et 8. Cependant elle peut survivre à des pH extrêmes grâce à sa forme sporulée. Cette bactérie préfère les surfaces riches en matière organique car c’est sa substance nutritive, mais on peut la retrouver dans des milieux avec peu ou pas de matière organique comme le sable ou sur des surfaces rocheuses. Elle peut également se retrouver dans des milieux liquides comme l’eau douce.

De plus cette bactérie peut aussi produire différentes substances. Elle vit au détriment d'autres microorganismes en sécrétant dans le milieu extérieur des enzymes hydrolytiques pour dégrader les autres organismes présents. C’est d’ailleurs par cette production d’enzymes hydrolytiques que certains médicaments sont créés. En effet ces enzymes hydrolytiques permettent de dégrader les levures, moisissures ou entérobactéries ; ces enzymes peuvent donc être utilisés comme antibiotiques. La bactérie va donc se nourrir d’autres micro-organismes en les dégradant. Par cette dégradation myxococcus va pouvoir récupérer les nutriments disponibles.

Enfin Myxococcus xanthus possède une particularité unique au niveau du déplacement. En effet elle a une motion glissante grâce à une protéine qui se déplace d’un bout à l’autre de la cellule, construisant un nouveau « pied » filamenteux, ou pilus, à chaque bout. Le pilus s’étend de la cellule, s’ancre à la surface et se contracte, tirant la cellule avec lui. Cependant, les chercheurs ne comprennent pas bien comment Myxococcus changent de direction en mi-glissade. Les chercheurs ont cependant démontré que la protéine FrzS glisse tout au long du filament interne de Myxococcus, causant la déconstruction et la construction du pilus à la nouvelle frontière de la cellule lorsqu’il a besoin de changer de direction. Grâce à ce déplacement unique la bactérie peut se déplacer librement sur une surface solide et choisir sa direction. Cela permet donc aux bactéries Myxococcus xanthus de se réunir et de former le corps fructifère.

Développement du corps fructifère[modifier | modifier le code]

Myxococcus xanthus a un cycle de vie complexe notamment régulé par l’interaction entre cellules. En effet dans l’ère bactériologique, certaines bactéries ont développé la capacité d’interagir entre elles. On appelle ces interactions la multicellularité. On peut définir la multicellularité comme la condition d’un organisme pour lequel les activités des différentes cellules qui le composent sont coordonnées et en contact suffisamment proche pour interagir. Il faut noter que certains chercheurs découplent cette définition en multicellulaire qui est un organisme possédant plusieurs cellules et pluricellulaire qui est un organisme possédant plusieurs cellules différenciées dont les activités sont coordonnées. Nous allons donc étudier cette multicellularité chez Myxococcus xanthus avec le développement du corps fructifère ou fructification.

Lors d’un stress dû à l’environnement et donc d’une mise en danger, Myxococcus xanthus va sécréter un facteur qui va faire réagir les autres Myxococcus environnantes (voir schéma ci-dessous). Ce stress est très souvent dû à un manque de nutriments dans le milieu comme le carbone ou le phosphate.

Schéma d'application du facteur[modifier | modifier le code]

En effet, comme on peut l’observer sur le schéma, les autres bactéries vont réagir au facteur et grâce à leur mobilité vont s’agglutiner pour former ce qu’on appelle le corps fructifère. Cette formation met environ 72 heures à se former, car lorsque d’autres bactéries sont affectés par le facteur elles vont se mettre à le produire elles aussi ; on a donc une réaction en chaîne qui permet une formation rapide du corps fructifère.

Le manque de nourriture qui est un stress de l’environnement peut conduire à une agrégation des myxobactéries qui se différencient en une fructification. Ces fructifications peuvent atteindre des hauteurs comprises entre 50 et 500 µm et sont souvent constitués de plus de 100 000 bactéries. La fructification de Myxococcus a une structure globulaire simple. Cette agrégat peut soi être porté par le vent afin de migrer vers des lieux plus favorables. Mais cette fructification est aussi une protection de plus lors de la formation de myxospores.

Les myxospores sont les spores de Myxococcus xanthus. Ces spores permettent aux bactéries de résister à la dessiccation et de survivre pendant 10 ans dans des conditions défavorables. Elles donnent de plus la capacité de survivre à de longues périodes de sécheresse. Mais le plus intéressant reste la fructification associée à ces myxospores. En effet les fructifications offrent une protection supplémentaire aux myxospores et aident à la dispersion de celles-ci. Les myxospores étant maintenues ensemble dans la fructification, une colonie de myxobactéries se développe automatiquement lorsque les myxospores sont libérées et germent. De plus cet agrégat permet de sécréter une plus grande quantité d’enzymes hydrolytiques et donc de digérer une proie plus facilement que ne le ferait une cellule individuelle. Enfin grâce à cette interaction entre les bactéries Myxococcus xanthus, certaines d’entre elles vont s’autolyser afin d’apporter aux autres bactéries les nutriments nécessaires à leur survie.

Utilisation en architecture[modifier | modifier le code]

Les sculptures et les architectures en pierre sont détériorées par l’érosion, qui allie les conditions chimiques, physiques, biologiques et climatiques. La composition et la structure des différentes pierres carbonées (comme le calcaire ou le marbre) les rend très susceptible à l’érosion. De nombreux traitements sont donc appliqués afin de conserver ces monuments qui sont une partie de notre patrimoine culturel. Cependant ces traitements sont souvent peu ou pas efficaces. Par exemple les traitements organiques ont comme résultat la création d’un film à a surface qui empêche la respiration de la pierre. De plus ces solvants relâchent souvent des solvants et des gaz nocifs pour la pierre, malgré l’apparente protection apportée, qui est en fait peu efficace. Récemment les bactéries pouvant faire la minéralisation du carbonate ont été proposées comme méthode pour empêcher la décomposition du carbonate des pierres ornementales. Cette méthode, surnommée la méthode calcaire, crée un ciment composé de carbonate très efficace pour la protection des pierres face à l’érosion. Cependant cette méthode possède deux défauts majeurs qui sont une trop faible protection en profondeur (seulement quelques micromètres) et une obstruction des pores de la pierre. Or ces pores permettent le transfert de vapeur et l’obstruction de ces pores accélèrent la décomposition et rend la pierre plus friable. Il est donc apparu nécessaire de trouver une bactérie pouvant à la fois créer un ciment de carbonate dans le système poreux de la pierre sans pour autant boucher les pores. De plus la bactérie devait posséder le processus de biominéralisation, mais que ce processus puissent être stopper à un certain moment afin d’éviter les effets indésirables (comme une obstruction des pores). Cette bactérie fut découverte en 2003 par des chercheurs espagnols ; il s’agit bien évidemment de Myxococcus xanthus. Comme nous l’avons vu précédemment cette bactérie possède un cycle particulier faisant intervenir une différenciation des bactéries. Mais après une expérimentation faite par des scientifiques espagnols, il a été démontré que Myxococcus xanthus peut provoquer la précipitation de carbonates, de sulfate et de phosphates. De plus la précipitation de carbone peut se faire sur des pierres poreuses. Cette précipitation de carbonate induite par la bactérie va jouer le rôle d’un ciment protecteur. Ce ciment protecteur se met dans les pores de la pierre sans pour autant les obstruer, donc la pierre peut continuer à « respirer ». Cette biominéralisation est donc une stratégie efficace pour lutter contre l’érosion des pierres ornementales.

De nombreux tests ont été faits sur du calcaire poreux utilisé comme pierre architecturale pour les bâtiments historiques. La bactérie utilisée lors des expérimentations était Myxococcus xanthus. Dans les études faites, la précipitation de carbonate est uniquement due à l’association du calcaire et des bactéries. Lors de la précipitation de carbonate (CO3 (2-)) avec le calcium nous obtenons de la calcite (CaCO 3). Cependant la production de calcite par voie bactérienne est plus compliquée que cette simple réaction. Il a été démontré que la formation de calcite se fait sur les membranes des bactéries. En effet le calcium contenu dans le calcaire va s’accrocher sur les membranes des bactéries. Sachant que la bactérie produit du CO2 et que l’activité métabolique de la bactérie entraîne une augmentation du pH, la formation de carbonate est inéluctable car le dioxyde de carbone se transforme en carbonate quand le pH est haut. Avec cette formation de carbonate et le calcium présent sur les membranes, la réaction entre ses deux composés nous donne donc de la calcite. Après cette réaction il y a une baisse de pH qui revient à sa valeur initiale. Comme la bactérie Myxococcus xanthus est liée aux grains de carbonate, la croissance du carbonate formé créé un ciment qui adhère fortement à la pierre.

Les cristaux de calcite adhèrent efficacement à la surface de la pierre et dans les pores. La nouvelle couche de cristaux de calcite produite par biominéralisation est plus résistante aux stress mécaniques que les cristaux de calcite de la roche, car le carbonate formé peut s’incorporer dans des molécules organiques produites par la bactérie. Ces molécules organiques permettent d’obtenir de la calcite plus résistante à l’érosion, à la dissolution ou aux conditions climatiques. De plus ces effets sont plus efficaces, car le ciment de carbonate formé par la bactérie se trouve à plus de 500 µm de profondeur. Et plus important, il n’y a pas d’obstruction des pores de la pierre par le ciment produit, contrairement aux autres bactéries utilisées. Cette obstruction était aussi dû à la production d’un biofilm. Or avec Myxococcus, le biofilm créé est trop fin et ne permet pas l’obstruction des pores ou la rétention d’humidité qui est aussi un facteur de détérioration du calcaire.

Avec les études faites par cette équipe espagnole, une nouvelle utilité de Myxococcus xanthus a été découverte. En effet au contact de calcaire, cette bactérie a la particularité de produire un ciment de carbonate par biominéralisation permettant aux pierres ornementales constituées de calcaire de résister aux intempéries et au passage du temps. De plus cette bactérie n’étant pas pathogène pour l’homme, elle peut être utilisée sans danger. Enfin lors des tests réalisés, la bactérie ne produisait pas de corps fructifère ; la pierre est donc pour elle un milieu favorable qui lui permet de se développer. Cependant cette bactérie à ces limites. En effet elles ne fonctionnent pas sur des pierres qui ne contiennent pas de carbonate et de calcaire comme le granit.

Sources[modifier | modifier le code]

  • Applied and Environmental Microbiology, Apr. 2003, p. 2182-2193

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