Les endospores sont des formes dormantes, non reproductives et inertes enzymatiquement des cellules végétatives bactériennes . Les bactéries produisant des endospores sont plus conventionnellement appelées « bactéries sporulantes ». Les bactéries sporulantes sont dérivées de l’embranchement des Firmicutes et consistent principalement en des bactéries Gram positives. Ces bactéries formant des endospores appartiennent aux genres Bacillus et Clostridium . Une endospore est une forme réduite d’une bactérie. Elle est constituée d’un noyau qui ne contient que les éléments essentiels nécessaires à l’initiation de la croissance bactérienne. Le noyau est entouré d’un revêtement dur et très imperméable, composé de plusieurs couches. Les endospores servent à protéger la bactérie des conditions environnementales nocives en la réduisant à un état desséché, cryptobiotique et hautement défensif qui confère une résistance à de nombreuses conditions environnementales qui, autrement, endommageraient et tueraient la forme végétative de la bactérie. Ces conditions environnementales comprennent des températures extrêmes, des radiations, des niveaux de pH extrêmes, des pressions extrêmes et des agents chimiques nocifs. La dormance métabolique et la capacité de protection des endospores ont été démontrées par l’isolement et la réanimation réussis d’endospores de Bacillus sp. dans de l’ambre vieux de 25 à 40 millions d’années. Ainsi, la sporulation s’est avérée être un mécanisme vital de survie bactérienne.
Le cycle de vie des bactéries sporulantes
Les bactéries sporulées peuvent prendre deux morphologies distinctes, l’une étant une endospore et l’autre une cellule végétative. La décision de se conformer à l’une ou l’autre morphologie est déterminée par des stimuli environnementaux qui transmettent des informations à l’intérieur de la cellule par un processus médié par un système de transduction du signal de type phosphorelay . Les cellules bactériennes vont sporuler en réponse à des conditions de croissance débilitantes. En revanche, une bactérie végète en présence de germinants, de nutriments et d’autres conditions environnementales favorables. Lorsqu’une bactérie détecte un changement défavorable dans les conditions environnementales, tel que la croissance n’est plus possible, elle transmet cette information à l’intérieur de la cellule par l’interaction d’un capteur kinase et d’une protéine régulatrice et induit la régulation positive des produits génétiques de sporulation. Cette cellule, à son tour, subit une transformation qui va la rendre résistante à ces conditions environnementales et lui permet de ne pas être affectée dans un état dormant jusqu’à ce que les conditions favorables soient rétablies.
Mécanisme de la sporulation
L’initiation de la sporulation est médiée par au moins cinq kinases senseurs qui alimentent la cascade de transduction du signal phosphorelay de la sporulation . Ces kinases senseurs sont appelées KinA, KinB, KinC, KinD et KinE, et sont chacune spécifiques à différents stimuli environnementaux . Le fait d’avoir plusieurs kinases senseurs permet à plusieurs signaux environnementaux d’influencer l’initiation de la sporulation. En réponse à l’interaction spécifique avec des stimuli environnementaux défavorables, les kinases senseurs autophosphorent un résidu histidine conservé par une réaction ATP-dépendante. Les différentes kinases de détection envoient leurs signaux respectifs dans la voie de phosphorelay à travers une seule protéine appelée Spo0F . De là, Spo0F~P transfère le groupe phosphate à Spo0B et finalement, Spo0B~P phosphoryle Spo0A. Spo0B agit comme un médiateur entre Spo0F et Spo0A en délivrant les signaux du point d’entrée dans la cellule au point de régulation. Spo0A agit comme une protéine régulatrice de liaison à l’ADN en régulant positivement les gènes nécessaires à la sporulation et en régulant négativement les gènes impliqués dans la croissance végétative .
Structure de l’endospore
L’exosporium est la structure la plus externe de la spore, composée principalement de protéines, de lipides et de glucides . Cette composition donne à l’exosporium sa caractéristique hydrophobe inhérente qui le rend insoluble et contribue à la pathogénicité des spores . Cette structure n’est pas présente chez toutes les bactéries sporulantes. L’enveloppe de la spore se trouve sous l’exosporium (si elle est présente) et est constituée de fines couches de protéines composées de protéines d’enveloppe fortement réticulées par des liaisons disulfures. Cette structure sert de barrière de perméabilité initiale, éliminant les grosses molécules et permettant la pénétration de plus petites molécules telles que les germinants. La membrane externe se trouve sous l’enveloppe de la spore et sa fonction n’est pas encore connue. Le cortex, situé sous la membrane externe, est une structure peptidoglycane qui diffère du peptidoglycane végétatif par son absence d’acides teichoïques et son faible niveau de réticulation. La paroi de la cellule germinale se trouve sous le cortex et est également composée de peptidoglycane. Les différences structurelles entre la paroi de la cellule germinale et le cortex permettent la dégradation sélective du cortex lors de la germination et facilitent la transformation de la paroi de la cellule germinale en paroi bactérienne d’une cellule végétative. Sous la paroi de la cellule germinale se trouve la membrane interne. Cette structure est similaire dans sa composition à la membrane cytoplasmique d’une cellule végétative, mais diffère grandement dans sa fluidité et sa perméabilité. La mobilité réduite des lipides membranaires rend la structure hautement imperméable à toutes les molécules, y compris l’eau, empêchant ainsi la diffusion de la plupart des molécules dans le noyau . La membrane interne contient des récepteurs germinatifs de surface qui se lient aux germinatifs et initient la germination et la croissance végétative. Le noyau contient l’ADN bactérien, l’ARN, les ribosomes et la plupart des enzymes essentielles. Son état déshydraté contribue à la dormance enzymatique et à la résistance à la chaleur de la spore . À l’intérieur du noyau, l’ADN bactérien est lié à de petites protéines de spore solubles dans l’acide (SASP) qui protègent physiquement l’ADN des produits chimiques et des enzymes nocifs. Les conditions à l’intérieur du noyau de la spore contribuent largement à sa résistance aux conditions environnementales défavorables, et sont discutées en détail ci-dessous.
Résistance des endospores
La résistance à la chaleur humide est une caractéristique notable des spores lorsqu’elles sont en suspension dans un milieu aqueux. Généralement, la résistance à la chaleur humide permet aux spores de résister à des températures supérieures de 40 degrés Celsius à celles de leur forme végétative respective . Le principal déterminant de la résistance à la chaleur humide est la teneur en eau du noyau. Les spores présentent une relation inversement proportionnelle entre la teneur en eau et la résistance à la chaleur humide et, par conséquent, les spores présentant une résistance accrue à la chaleur humide ont une teneur en eau réduite. De plus, les spores qui se forment à des températures plus élevées auront naturellement une teneur en eau plus faible et, par conséquent, une plus grande résistance à la chaleur humide. La chaleur sèche cause des dommages importants à l’ADN d’une cellule végétative. Par conséquent, les SASP jouent un rôle majeur dans la résistance des spores à la chaleur sèche. En se liant à l’ADN et en le protégeant physiquement, les SASP empêchent sa rupture à des températures plus élevées .
Résistance aux produits chimiques
De nombreux produits chimiques nocifs tuent les bactéries par le biais de mécanismes endommageant l’ADN . Cependant, les spores ont évolué un certain nombre de mécanismes qui leur confèrent une résistance chimique. Le manteau de la spore est important dans la résistance à de nombreux produits chimiques oxydants tels que le dioxyde de chlore, l’hypochlorite, l’ozone et le peroxynitrite . Il fonctionne en réagissant avec ces agents chimiques et en les détoxifiant avant qu’ils ne traversent le manteau de la spore. En outre, la perméabilité extrêmement faible de la membrane interne empêche les molécules hydrophobes et hydrophiles de pénétrer dans le noyau. Les SASP protègent également l’ADN en se liant à lui et en le protégeant des agents chimiques nocifs qui pénètrent dans le noyau .
Résistance aux rayons UV
Les rayons UV endommagent l’ADN d’une cellule et induisent des mutations. La saturation de l’ADN d’un endospore avec des SASP protège l’ADN de cette menace nocive .
(1)Cano, Raul J., et Monica K. Borucki. « Renaissance et identification de spores bactériennes dans de l’ambre dominicain vieux de 25 à 40 millions d’années ». Science 268.5213 (n.d.) (2012) : 1060-064. Web.
(2)Leggett, M.J., G. McDonnell, S.P. Denyer, P. Setlow, et J.-Y. Maillard. « Les structures des spores bactériennes et leur rôle protecteur dans la résistance aux biocides ». Journal of Applied Microbiology 113 (2012) : 485-98. Web.
(3)Stephenson, Keith, et James A. Hoch. « Évolution de la signalisation dans le relais phosphore de la sporulation ». Molecular Microbiology 2 (2002) : 2967-304. Web.
(4) Piggot, Patrick J., et David W. Hilbert. « Sporulation de Bacillus Subtilis ». Current Opinion in Microbiolgy 7 (2004) : 579-86. Web.
(5)http://www.eoearth.org/article/Bacteria?topic=49480#gen0
(6)Varghuese, Kottayil I., Haiyan Zhao, Vidya Harini Veldore, et James Zapf. « Les protéines phosphoreuses de la sporulation et leurs complexes : Crystallographic Characterization ». Méthodes en enzymologie 422 (2007) : 102-22. Web.
(7) Hilbert, David W., et Patrick J. Piggot. « Compartimentation de l’expression génétique pendant la formation des spores de Bacillus Subtilis ». Revues de microbiologie et de biologie moléculaire (2004) : 234-62. Web.
(8)Stragier, Patrick, et Richard Losick. « Génétique moléculaire de la sporulation chez Bacillus Subtilis ». Annual Reviews 30 (1996) : 297-341. Web.
(9)Setlow, Peter. « Germination des spores ». Current Opinion in Microbiolgy 6 (2003) : 550-56. Web.
(10) Setlow, Peter. « Spores de Bacillus Subtilis : Their Resistance to and Killing by Radiation, Heat and Chemicals ». Journal of Applied Microbiology 101 (2006) : 514-25. Web.
(11) Nicholson, Wayne L., Nobuo Munakata, Gerda Horneck, Henry J. Melosh, et Peter Setlow. « Résistance des endospores de Bacillus aux environnements terrestres et extraterrestres extrêmes ». Microbiology and Molecular Biology Reviews 64 (2000) : 548-72. Web.