Lernzettel: Microbiologie et diversité des Archaea

📋 Plan du Cours

1. Historique et fondements de la microbiologie et découverte des Archaea
2. Diversité phylogénétique et écologique des Archaea cultivables
3. Caractéristiques physiologiques et adaptations des Archaea halophiles et thermoacidophiles
4. Métabolismes spécifiques des Archaea hyperthermophiles et thermoacidophiles
5. Particularités moléculaires des Archaea : ARN polymérases, facteurs de transcription et protéines liant l’ADN
6. Adaptations moléculaires des protéines et membranes aux hautes températures chez les Archaea hyperthermophiles
7. Relations symbiotiques et parasitaires entre Archaea et Bactéries, et entre Archaea elles-mêmes
8. Nanoarchaea : caractéristiques, génome réduit et dépendance métabolique vis-à-vis de l’hôte

📖 1. Historique et fondements de la microbiologie et découverte des Archaea

🔑 Notions clés & Définitions

• Petit historique de la microbiologie : Observation de spermatozoïdes, de protozoaires et de ce qui va devenir les bactéries Expérience du ballon à col de cygne I.
• Postulats de Koch : Ensemble de critères permettant d'identifier un agent infectieux, comprenant la présence de l'agent chez l'animal malade mais pas chez l'animal sain, son isolement en culture pure, la capacité de l'agent isolé à provoquer la maladie après inoculation à un animal sain, et la réisolation de l'agent identique.
• Concept d’Archaea : Notion d'un troisième domaine du vivant distinct des Bactéries et des Eucaryotes, mise en évidence par des différences moléculaires et morphologiques, notamment grâce à l'analyse de l'ARN ribosomique 16S.

📝 Points essentiels

• Antoni Van Leeuwenhoek a observé les premières formes microbiennes, comme spermatozoïdes, protozoaires et bactéries, au XVIIe siècle.
• Louis Pasteur a démontré la stérilisation et réfuté la génération spontanée au XIXe siècle.
• Robert Koch a formulé des critères pour identifier un agent infectieux, appelés postulats de Koch.
• La classification du vivant a été établie dans un cadre évolutif par Haeckel en 1866, distinguant Plantae, Protista et Animalia.
• Le concept d’Archaea a émergé pour distinguer un troisième domaine du vivant, séparé des Bactéries et Eucaryotes.

💡 À retenir

Comprendre l’évolution historique des concepts microbiologiques est essentiel pour saisir la place unique des Archaea dans la classification du vivant.

📖 2. Diversité phylogénétique et écologique des Archaea cultivables

🔑 Notions clés & Définitions

• Aérobie : Se trouve au niveau de sources thermales terrestres.
• Thermoproteales : Bacilles neutrophiles (pouvant aller jusqu’à 100 nm de long!).
• Sources hydrothermales : Aucune molécule du vivant n’est détectée dans les flux d’eau de la source elle-même (souvent supérieure à 250° Archaea 108 Tm ARNt contenant des nucléotides modifiés Tm ARNt dépourvus de nucléotides modifiés Tm ARNt d’organismes thermo-& hyperthermophiles 0.2
• Thermococcales : Ordre d'Archaea hyperthermophiles oxydant la matière organique et réduisant le soufre, vivant en conditions neutrophiles.
• Methanopyrales : Pyrococcus furiosus Methanopyrales : Autotrophe.

📝 Points essentiels

• Les Archaea cultivables incluent Thermococcales, Sulfolobales, Haloarchaea et Methanopyrales.
• Les habitats des Archaea sont très variés : lacs salés, sources hydrothermales, sols volcaniques, intestins d’animaux.
• Les méthanogènes stricts réduisent le CO2 en méthane en anaérobiose.
• Les Thermococcales oxydent la matière organique et réduisent le soufre en H2S, vivant en anaérobiose neutrophile.

💡 À retenir

La diversité phylogénétique des Archaea cultivables reflète leur adaptation à des niches écologiques extrêmes et variées.

📖 3. Caractéristiques physiologiques et adaptations des Archaea halophiles et thermoacidophiles

🔑 Notions clés & Définitions

• LUCA : Ancêtre commun universel, représentant la dernière forme de vie à l'origine de tous les organismes actuels.
• Bactérie : Barre = 20 mm Parties externes des perles + fils
• Haloquadratum walsbyi : Archée halophile de forme carrée d'environ 2 micromètres de côté et 0,1 à 0,2 micromètres d'épaisseur, adaptée aux environnements salins extrêmes.
• Common Ancestor : ADN 98 Un point sur l’évolution de l’arbre du vivant et notion de LUCA LUCA : Last Universal Common Ancestor LECA : Last Eukaryal Common Ancestor LACA : Last Archaeal Common Ancestor LARCA : Last Arkaryal Common Ancestor LBCA : Last Bacterial Common Ancestor PG : peptidoglycane Ou une situation plus complexe encore ??
• Acidophiles : Halophiles : aiment le sel (hals : sel en grec ancien) Alkaliphiles : Acidophiles : Barophiles/Piézophiles : Xérophiles : manque d’eau Radiorésistants : rayonnement gamma

📝 Points essentiels

• Les protéines des Haloarchaea ont une forte proportion d’acides aminés acides et une faible proportion d’acides aminés hydrophobes.
• Certaines Haloarchaea utilisent la bactériorhodopsine pour la phototrophie, générant un gradient de protons pour la synthèse d’ATP.
• Les Thermoplasmatales thermoacidophiles n’ont pas de paroi cellulaire et respirent le soufre, vivant dans des environnements chauds et acides (pH 0-3, 50-90°C).
• Picrophilus est un thermoacidophile extrême capable de survivre à pH proche de 0 et à 60°C.

💡 À retenir

Les Thermoplasmatales thermoacidophiles n’ont pas de paroi cellulaire et respirent le soufre, vivant dans des environnements chauds et acides (pH 0-3, 50-90°C).

📖 4. Métabolismes spécifiques des Archaea hyperthermophiles et thermoacidophiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasmides et virus d’Archaea : Elements génétiques mobiles, comme les plasmides et virus, présents chez les Archaea, pouvant jouer un rôle dans leur évolution et adaptation.
• Virus d’Archaea : Viros infectant principalement les Crenarchaea, une sous-phylum d’Archaea hyperthermophiles, avec une biodiversité encore en exploration.

📝 Points essentiels

• Les Thermococcales hyperthermophiles oxydent la matière organique et réduisent le soufre en H2S en anaérobiose.
• Les Methanopyrales sont autotrophes, produisant du méthane à partir de H2 et CO2, avec un record de croissance à 122°C sous pression.

💡 À retenir

Les virus et plasmides d’Archaea, notamment chez les hyperthermophiles, montrent une biodiversité en cours d’exploration, essentielle à leur adaptation.

📖 5. Particularités moléculaires des Archaea : ARN polymérases, facteurs de transcription et protéines liant l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• BRE (B-recognition element) : Élément de promoteur archaéen situé en amont du site d'initiation de la transcription, reconnu spécifiquement par le facteur de transcription TFB.
• TATA box : Séquence promotrice archaéenne de 6 à 8 nucléotides, située entre 18 et 27 nucléotides en amont du site d'initiation, reconnue par la protéine TBP.

📝 Points essentiels

• Les Archaea possèdent une seule ARN polymérase, plus proche de celle des eucaryotes que des bactéries.
• Les promoteurs archaéens contiennent un élément BRE reconnu par le facteur TFB et une boîte TATA reconnue par TBP, situés en amont du site d’initiation de la transcription.
• Les protéines liant l’ADN chez les Euryarchaeota sont apparentées aux histones eucaryotes, compactant l’ADN sans extensions N- ou C-terminales.
• Les Crenarchaeota possèdent des protéines basiques non histones, notamment Alba, qui peut être modifiée post-traductionnellement par acétylation, réduisant son affinité pour l’ADN.
• La transcription et la traduction sont couplées chez les Archaea, comme chez les bactéries.
• Bactéries Archées Eucaryotes Organites (mitochondries, chloroplastes, RE, Golgi...) - - + Noyau - - + Ribosomes 70S 70S 80S Peptidoglycane + - - Membrane Acides gras à chaine droite attachés au glycérol par une liaison ester Chaines d’isoprènes attachées au glycérol de stéréochimie gauche par des liaisons éthers Acides gras à chaine droite attachés au glycérol par une liaison ester Diversité métabolique Riche Riche Plus pauvre Récapitulatif des caractéristiques physiologiques Comparaison de la transcription et de la réplication Bactéries Archées Eucaryotes Origine de réplication 1 1 généralement, mais jusqu’à 4 plusieurs Protéines de réplication Non apparentées Apparentées aux eucaryotes Apparentées aux archées ARN polymérase 1 seule modèle sous- unitaire simple(a2bb’) Unique, avec modèle sous-unitaire complexe semblable aux enzymes eucaryotes (12 sous unités) 3 ARN polymérases Modèle sous-unitaire complexe (12-14 sous unités) Régions promotrices Boites -10 (Pribnow box) et – 35 TATA box apparentée à celle des eucaryotes TATA box ARNm polycistronique + + - Présence d’introns - (rares) - (rares) + Inhibition transcription par la rifampicine + - - Comparaison de la traduction Bactéries Archées Eucaryotes Inhibition traduction par la toxine diphtérique - + + Transcription et traduction couplées + + - Fixation ribosome sur RBS (séq Shine-Dalgarno) + + - Codons d’initiation alternatifs à AUG + + - Bactéries Archées Eucaryotes Mitose - Division par scissiparité - Division par scissiparité + Reproduction sexuée - - + Recombinaison génétique Transferts horizontaux Transferts horizontaux Méiose, fécondation Nb de chromosomes Généralement 1, parfois plus Généralement circulaire Généralement 1, parfois plus Circulaire Plusieurs linéaires ADN avec histones en nucléosomes - mais nucléoïde avec protéines histones-like IHF + chez les Euryarchaeota - chez les Crenarchaeota + Récapitulatif caractéristiques liées à la reproduction et à l’ 3 pics réguliers se retrouvent régulièrement, formant comme un fil barbelé !

💡 À retenir

Les Archaea combinent des caractéristiques moléculaires uniques, mêlant traits bactériens et eucaryotes, dans leur machinerie transcriptionnelle et organisation de l’ADN.

📖 6. Adaptations moléculaires des protéines et membranes aux hautes températures chez les Archaea hyperthermophiles

🔑 Notions clés & Définitions

• Archaea hyperthermophiles : Organismes archaéens adaptatifs aux très hautes températures, développant des protéines et membranes spécifiques pour assurer leur stabilité thermique.
• Caractéristiques moléculaires : Reverse gyrase : seul à être spécifique de tous les hyperthermophiles Stabilité de l’ADN ?

📝 Points essentiels

• Les protéines des Archaea hyperthermophiles présentent une forte proportion d’acides aminés chargés et une diminution des résidus thermolabiles.
• Les cœurs protéiques sont très hydrophobes, favorisant la stabilité thermique des protéines.
• Les membranes sont composées de lipides spécifiques, notamment des monocouches de biphytanyl tetraethers, pour une stabilité thermique élevée.
• Le ratio des acides chargés (E+K) par rapport aux polaires (Q+H) est supérieur à 4,5 chez les hyperthermophiles, contre moins de 2,5 chez les mésophiles.

💡 À retenir

Les Archaea hyperthermophiles ont développé des adaptations moléculaires sophistiquées au niveau des protéines et membranes pour assurer leur stabilité à très haute température.

📖 7. Relations symbiotiques et parasitaires entre Archaea et Bactéries, et entre Archaea elles-mêmes

🔑 Notions clés & Définitions

• Parasitisme impliquant des Archaea : Une interaction où une archée, telle que Nanoarchaeum equitans, vit en parasite attaché à une autre archée, Ignicoccus hospitalis, illustrant une relation parasitaire intra-domaines avec dépendance métabolique.
• Relations de symbiose ou parasitisme : Des interactions écologiques entre Archaea et d’autres micro-organismes, incluant des relations symbiotiques complexes comme celle entre SM1 et ses partenaires bactériens non cultivables, ou des relations parasitaires intra-domaines comme Nanoarchaeum equitans sur Ignicoccus hospitalis.

📝 Points essentiels

• Le SM1 Euryarchaeon forme des colonies denses connectées par des filaments protéiques hélicoïdaux, servant à l’adhésion aux bactéries partenaires.
• Ces filaments sont composés d’une protéine de 120 kDa avec une structure hélicoïdale et un nano-hameçon à l’extrémité, facilitant l’agrippement.
• Le SM1 et son partenaire bactérien ne sont pas cultivables en laboratoire, illustrant une relation symbiotique complexe.
• Les relations symbiotiques et parasitaires entre Archaea et Bactéries ou entre Archaea elles-mêmes jouent un rôle écologique important dans certains biotopes.
• Metallotolérants 64 Premiers extrémophiles isolés Relativement récemment, on a découvert la vie dans des biotopes que l’on avait toujours pensé être stériles Benjamin Volcani (1915-1999) Thomas Brock (1926-2021) Halobacterium Mer Archaea 81 Methanococcus janaschii Coque avec plusieurs flagelles Methanosarcina barkeri, coque lobée sans flagelle Methanothermus fervidus, court bacille sans flagelle Methanobacterium thermoautotrophicum, un bacille allongé Pas de spores Formes les plus courantes : Filaments, agrégats, biofilms… Morphologie et structure cellulaire des 110 Quelques idées de lecture / conférences Youtube ou dailymotion 111 Prévalence observée d’archées méthanogènes chez certains patients de maladies parodontales (Methanobrevibacter oralis) Peu d’interactions sont décrites impliquant les Archaea, et souvent les relations entre les partenaires ne sont pas très claires.
• Protéine de 120 kDa en structure hélicoïdale.

💡 À retenir

Les interactions symbiotiques et parasitaires impliquant les Archaea révèlent des stratégies écologiques complexes et des dépendances métaboliques inter-domaines.

📖 8. Nanoarchaea : caractéristiques, génome réduit et dépendance métabolique vis-à-vis de l’hôte

🔑 Notions clés & Définitions

• Ignicoccus : Une archée crenarchéenne de l’ordre des Desulfurococcales, possédant une membrane externe unique chez les Archaea.
• Equitans : La plus petite archée décrite, isolée de source hydrothermale sous-marine : Coques de 0,4 μm (1à2% du volume d’E.
• Une archée symbionte/parasite d’archée : Une archée qui dépend métaboliquement d’une autre archée hôte, ne pouvant pas se multiplier seule, illustrant une relation de parasitisme ou symbiose obligatoire.

📝 Points essentiels

• Nanoarchaeum equitans est la plus petite archée connue, avec un diamètre de 0,4 μm et un génome de 0,49 Mb.
• N. equitans ne peut pas se multiplier seul et vit attaché à la surface d’Ignicoccus hospitalis, son hôte crenarchéen.
• Le génome de N. equitans est très compacté, manquant de nombreux gènes essentiels pour la biosynthèse d’acides aminés, nucléotides, coenzymes, lipides et glycolyse.
• Ignicoccus hospitalis possède une membrane externe unique chez les Archaea et une couche S-layer absente chez N. equitans.
• Vit attaché à la surface d’Ignicoccus hospitalis, une crenarchée de l’ordre des Desulfurococcales.
• Ignicoccus hospitalis vit très bien sans N.

💡 À retenir

Les Nanoarchaea illustrent une extrême réduction génomique et une dépendance métabolique poussée, soulignant la complexité des interactions intra-archéennes.

📅 Repères chronologiques

Date	Événement
1866	Classification du vivant par Haeckel
1915	Observation des premières formes microbiennes par Van Leeuwenhoek
1999	Découverte des Archaea comme troisième domaine du vivant
1926	Formulation des postulats de Koch par Robert Koch
2021	Découverte et caractérisation de Nanoarchaea

📊 Tableaux de Synthèse

Comparaison des caractéristiques moléculaires chez les Archaea

Caractéristique	Bactéries	Archées	Eucaryotes
ARN polymérase	Plus proche de celle des eucaryotes	Unique, proche des eucaryotes	Plus proche de celle des bactéries
Promoteurs	TATA box, BRE	TATA box, BRE	TATA box
Organisation de l'ADN	Nucléoïde avec histones-like	Histones ou protéines basiques	Nucléoïde avec histones

⚠️ Pièges & Confusions Fréquentes

1. Confusion entre les caractéristiques des Archaea et celles des Bactéries ou Eucaryotes.
2. Erreur dans l'interprétation des adaptations moléculaires aux hautes températures.
3. Confusion entre les différents types d'Archaea (halophiles, thermoacidophiles, hyperthermophiles).
4. Mésinterprétation des relations symbiotiques et parasitaires.
5. Confusion entre Nanoarchaea et autres Archaea avec génomes réduits.

✅ Checklist Examen

1. Revoir l'historique de la microbiologie et la découverte des Archaea.
2. Étudier la diversité écologique et phylogénétique des Archaea.
3. Comprendre les adaptations physiologiques et moléculaires des Archaea extremophiles.
4. Comparer les particularités moléculaires des Archaea avec celles des Bactéries et Eucaryotes.
5. Analyser les mécanismes d'adaptation des protéines et membranes à haute température.
6. Étudier les relations symbiotiques et parasitaires impliquant les Archaea.
7. Connaître les caractéristiques et la dépendance des Nanoarchaea.
8. Réviser les éléments clés sur la classification et la génomique des Archaea.