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Pourquoi les flagelles ne forment-ils un faisceau que lorsqu'ils tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pendant la chimiotaxie ?

Pourquoi les flagelles ne forment-ils un faisceau que lorsqu'ils tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pendant la chimiotaxie ?



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Au cours de la chimiotaxie chez les bactéries à flagelles, la rotation flagellaire dicte la façon dont la cellule se déplace. Si les flagelles tournent dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, ils forment un faisceau à une extrémité de la cellule (---O) et le propulsent vers l'avant de manière coordonnée. Cependant, si les flagelles tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, alors chaque flagelle agit indépendamment pour pousser la cellule dans de nombreuses directions différentes.

Ma question est pourquoi la rotation flagellaire dans le sens des aiguilles d'une montre ne provoque-t-elle pas simplement la formation du faisceau à l'extrémité opposée de la cellule? (O---)


En principe, cela peut arriver, mais vous devez vous renseigner sur la dynamique flagellaire et les transitions polymorphes (Real-Time Imaging of Fluorescent Flagellar Filaments, Turner et al. 2000).

De la page du laboratoire d'Howard Bergs :

Des coulées peuvent se produire avec des filaments de n'importe quelle forme polymorphe ; bien que la forme normale prédomine. Pour qu'une cellule tombe, tous les filaments n'ont pas besoin de changer de sens de rotation. Différents filaments peuvent changer de direction à différents moments, ou une chute peut résulter du changement de direction d'un seul.

Si l'ensemble du faisceau se sépare, il peut se reformer à chaque extrémité du corps cellulaire car E. coli a un motif de flagellation aléatoire (péritriche) et donc aucune direction de propagation préférée du corps cellulaire.

Jetez également un coup d'œil ici pour de beaux films du laboratoire Berg.


Une vue statistique de la physique de l'essaimage de bactéries

L'essaimage bactérien est un mode de mouvement collectif dans lequel les cellules migrent rapidement sur les surfaces, formant des motifs dynamiques de tourbillons et de jets. Cette revue présente un point de vue physique sur les essaims de bactéries, en mettant l'accent sur les propriétés statistiques de la dynamique des essaims observées dans les expériences. Les principes physiques de base sous-jacents à l'essaim et leur relation avec les théories contemporaines du mouvement collectif et de la matière active sont passés en revue et discutés dans le contexte des propriétés biologiques des cellules en essaim. Nous proposons un paradigme selon lequel les bactéries ont optimisé certaines de leurs propriétés physiques comme stratégie de translocation rapide de surface. En d'autres termes, les cellules tirent parti d'une physique favorable, permettant une expansion efficace qui améliore la survie dans des conditions difficiles.


II. STRUCTURE CELLULAIRE PROCARYOTIQUE

1. Pili - appendices raides ressemblant à des cheveux ils sont généralement courts toutes les bactéries à Gram négatif ont une fonction pili consistant à attacher les bactéries à d'autres bactéries, à d'autres cellules ou à d'autres surfaces (pas pour la locomotion):

une. sexe pili permettre à une cellule bactérienne d'adhérer à une autre (les cellules peuvent en fait échanger du matériel génétique à travers les pili - c'est la bactérie qui se rapproche le plus de la reproduction sexuée !) conjugaison.

b. d'autres types de pili attachent des bactéries aux cellules végétales ou animales pour se maintenir dans un environnement favorable si des pili ont été perdus (peut-être en raison d'une mutation) dans des bactéries pathogènes, les bactéries ne pourront pas établir une infection.

2. Flagelles (singulier – flagelle) - structures longues et minces qui s'étendent vers l'extérieur de la surface de l'enveloppe la fonction est la locomotion - les bactéries avec flagelles sont mobile les flagelles tournent pour propulser la bactérie. Les bactéries peuvent avoir 1, 2 ou plusieurs flagelles (ex. d'une bactérie avec plusieurs flagelles – Salmonella).

3. Filaments axiaux - des faisceaux de flagelles qui s'enroulent autour du corps cellulaire entre la paroi cellulaire et la membrane externe, ils forment ensemble un renflement hélicoïdal qui se déplace comme un tire-bouchon lorsque les flagelles piégés tournent et propulsent la cellule trouvée uniquement dans un type de bactérie appelé le spirochètes cette forme unique de mouvement est bien adaptée à l'environnement visqueux (boue et mucus) où se trouvent généralement les bactéries. Ex. de bactéries avec a.f. – Tréponème (provoque la syphilis) et Borrelia (provoque la maladie de Lyme).

B. Enveloppe cellulaire (couches de l'extérieur vers l'intérieur) (SOYEZ CAPABLE DE DIAGRAMMER !)

1. Glycocalyx - trouvé dans la plupart des bactéries substance visqueuse ou gommeuse qui devient la couche la plus externe de l'enveloppe cellulaire un glycocalyx épais est souvent appelé un capsule un glycocalyx mince est souvent appelé un couche visqueuse les fonctions:

une. protection contre le dessèchement

b. aide une cellule à adhérer à une surface où les conditions sont favorables à la croissance

c. fournir une protection contre phagocytose (engloutissement et destruction par des cellules telles que les globules blancs) - un glycocalyx glissant rend difficile pour le phagocyte de saisir la bactérie.

2. Membrane extérieure - principalement trouvé dans les bactéries à Gram négatif (ex. E. coli, Salmonella, Shigella, Pseudomonas, Proteus, Neisseria gonorrhoeae) composé d'une membrane bicouche la couche intérieure est composée de phospholipides la couche extérieure est composée de lipopolysaccharides (LPS’s), un composé que l'on ne trouve dans aucun autre organisme vivant ! une partie du LPS est hydrophobe, une partie est hydrophile la plupart des molécules sont transportées à travers la membrane externe et dans la cellule par des protéines spéciales appelées porines ces porines créent de petits pores ou canaux dans la membrane externe qui permettent aux molécules de se diffuser en fonction de la membrane externe est principalement une protection - en raison de la membrane externe, les bactéries à Gram négatif sont généralement plus résistantes que les bactéries à Gram positif à de nombreux composés toxiques, y compris les antibiotiques (les antibiotiques sont trop gros pour diffuser à travers les porines).

En savoir plus sur les LPS’ – Ces composés sont endotoxines et ne sont libérés que lorsque les bactéries meurent et que leurs parois cellulaires sont détruites. Les endotoxines provoquent de la fièvre et dilatent les vaisseaux sanguins (chute de la tension artérielle). Tuer les bactéries peut augmenter les concentrations de cette toxine !

3. La paroi cellulaire - La structure décrite ci-dessous se trouve dans toutes les eubactéries à l'exception des mycoplasmes (ces bactéries n'ont pas de paroi cellulaire) chez les archéobactéries, les parois cellulaires sont composées d'un type différent de peptidoglycane ou de protéine et certaines n'ont pas de parois cellulaires. Chez les bactéries à Gram négatif, la paroi cellulaire se trouve juste à l'intérieur du périplasme chez les bactéries à Gram positif, elle se trouve juste à l'intérieur du glycocalyx, s'il existe.

une. Structure et composition de la paroi cellulaire chez les eubactéries

1.) Le composant principal est peptidoglycane.

2.) Le peptidoglycane est composé de longues chaînes de polysaccharides (glycane) réticulées par de courtes protéines (peptides).

3.) Lorsqu'elles sont liées ensemble, ces chaînes créent la seule molécule rigide en forme de maille qui forme la paroi cellulaire bactérienne (ressemble à une clôture à mailles losangées !)

4.) Une différence majeure entre les parois cellulaires bactériennes G(+) & G(-) :

a.) G(-) : le filet de peptidoglycane n'a qu'une seule couche d'épaisseur.

b.) G(+) : la paroi du peptidoglycane est épaisse de plusieurs couches.

b. Fonction de paroi cellulaire – Dans de nombreux cas, la paroi cellulaire est très poreuse et ne régule pas le transport des substances dans la cellule. Deux fonctions principales de la paroi cellulaire sont le maintien de la forme et la résistance à la pression de turgescence. Les deux sont discutés ci-dessous.

1.) Forme de cellule - un fxn. de la paroi cellulaire est de conférer une forme à la bactérie, la plupart des bactéries appartiennent à l'un de ces groupes généraux. Cependant, certaines bactéries ont des formes irrégulières. Même les bactéries du même type ou au sein d'une même culture varient parfois en taille et en forme (en particulier dans les cultures vieillissantes).

a.) cocci (singulier - coque) - sphérique

b.) bacilles (singulier - bacille) - en forme de bâtonnet

c.) spirilli (singulier - spirillum) - en forme de spirale

En plus de ces formes cellulaires caractéristiques, les cellules peuvent également être trouvées dans des groupes distincts de cellules : paires, chaînes, tétrades (cubes), grappes ressemblant à des raisins, etc.

2.) Résister à la pression de turgescence – La pression de turgescence d'une cellule est la pression interne de son contenu. Habituellement, une bactérie est dans une solution hypotonique (une solution plus diluée qui contient moins de soluté et plus d'eau que l'intérieur de la bactérie) et l'eau essaie de passer d'une concentration élevée en eau à une faible concentration en eau, c'est-à-dire que l'eau essaie de se déplacer à l'intérieur de la bactérie (voir la tonicité sous osmose plus loin dans le document). Sans la paroi cellulaire, l'eau continuerait à pénétrer davantage à l'intérieur de la cellule, et la cellule se lyserait ou éclaterait la paroi cellulaire résiste à la pression de turgescence, de sorte que la cellule ne se lyse pas.

Action de certains antibiotiques (ex. pénicilline) - Les bactéries produisent des enzymes qui referment les ruptures de la paroi cellulaire du peptidoglycane qui se produisent pendant la croissance normale et la division, la pénicilline se lie à ces enzymes, inactivant les enzymes de sorte que les ruptures ne puissent pas être refermées. Les bactéries se lysent alors.

Le lysozyme, une enzyme présente dans les larmes, digère (dégrade) le peptidoglycane.

c. Mycoplasmes - groupe de bactéries dépourvues de paroi cellulaire, elles évitent la lyse due à la pression de turgescence en maintenant une pression presque égale entre leur cytoplasme et leur environnement externe en pompant activement les ions sodium hors de la cellule. De plus, leurs membranes cellulaires sont renforcées car elles contiennent du cholestérol, un lipide trouve dans les membranes cellulaires eucaryotes.

4. Périplasme - était autrefois appelé un espace, en raison de son apparence sur les micrographies électroniques trouvées entre la membrane cellulaire et la paroi cellulaire du peptidoglycane. certains nutriments en molécules plus petites qui peuvent traverser la membrane cellulaire.

5. Plasma ou membrane cellulaire - membrane qui enferme le cytoplasme de toute fonction cellulaire majeure est de contenir le cytoplasme et de transporter et de réguler ce qui entre et ce qui sort de la cellule. De nombreuses membranes cellulaires procaryotes sont similaires aux membranes cellulaires eucaryotes. Sa structure est appelée modèle de mosaïque fluide, car la structure se comporte plus comme un fluide que comme un solide. Contient :

Lipides membranaires : (composé principalement de molécules de phospholipides)

a.) bicouche phospholipidique (Les queues d'acides gras hydrophobes et les têtes de phosphate hydrophile examinent le document de chimie sur les phospholipides)

Protéines membranaires : (les protéines flottent dans la bicouche lipidique fluide)

une.) Protéines intégrales - inséré dans la bicouche principalement impliquée dans le transport.

1.) protéines porteuses - se lier à des substances spécifiques et les transporter à travers la membrane cellulaire.

2.) protéines de canal - protéines avec un canal à travers lequel de petites substances solubles dans l'eau se déplacent à travers la membrane cellulaire.

b.) Protéines périphériques - généralement attachées à la surface de la membrane certaines sont des enzymes certaines sont impliquées dans la chaîne de transport d'électrons et/ou la photosynthèse (nous parlerons de ces processus dans le chapitre sur le métabolisme) d'autres sont impliquées dans les changements de forme cellulaire qui se produisent lors de la division cellulaire.

Remarque : Membranes cellulaires d'archéobactéries - il existe différents types de liaisons dans les molécules de phospholipides qui relient les lipides (queues) à la molécule de glycérol (tête) ces liaisons sont plus fortes et peuvent aider ces bactéries à survivre à des températures et pH extrêmes.

Invaginations de la membrane cellulaire - la membrane cellulaire s'invagine parfois ou se replie sur elle-même, formant des structures qui s'étendent dans le cytoplasme car les cellules procaryotes manquent d'organites, ces invaginations offrent une surface accrue aux protéines périphériques (enzymes) pour catalyser les réactions chimiques.

C. Cytoplasme - matrice composée principalement d'eau (90%) et de protéines. Contient les éléments suivants :

1. Nucléoïde - ou la région nucléaire est une masse d'ADN bien définie, bien qu'elle ne soit pas entourée d'une membrane, la majeure partie de l'ADN d'une bactérie est arrangée en une seule molécule circulaire appelée chromosome certaines bactéries contiennent également des molécules d'ADN circulaires plus petites appelées plasmides (à discuter plus tard).

2. Ribosomes - site de synthèse des protéines les ribosomes procaryotes sont plus petits que les ribosomes eucaryotes. Les antibiotiques tels que la tétracycline, l'érythromycine et la streptomycine peuvent cibler spécifiquement les ribosomes bactériens et ne pas nuire aux ribosomes eucaryotes de l'hôte.

3. endospores - des structures de repos (non en croissance) extrêmement robustes que certaines bactéries, principalement G(+), produisent par le processus de sporulation lorsque les nutriments sont épuisés lorsque les conditions favorables reviennent, les endospores germent pour produire de nouvelles cellules végétatives, qui se développent et se reproduisent elles sont capable de résister à des conditions environnementales difficiles parce qu'elles contiennent si peu d'eau et des concentrations élevées de calcium et d'acide dipicolinique lorsque les conditions favorables reviennent, la spore germe dans une nouvelle cellule végétative.

Certaines bactéries productrices d'endospores sont pathogènes pour l'homme. Ex. Clostridium tetani provoque le tétanos (d'autres espèces de ce genre provoquent le botulisme et la gangrène gazeuse). Bacille est un autre genre de bactéries qui forme des spores. Nous allons apprendre à colorer les bactéries afin que vous puissiez observer ces spores.


Introduction

Les cils et flagelles eucaryotes sont des organites hautement conservés et omniprésents présents chez la plupart des animaux, ainsi que de nombreuses plantes inférieures et des protozoaires eucaryotes. Dans la lignée des vertébrés, le flagelle eucaryote est universellement utilisé pour propulser le gamète mâle. Dans la branche mammifère des vertébrés, la queue du spermatozoïde est toujours un flagelle modifié avec des caractéristiques accessoires caractéristiques qui sont ajoutées à l'axonème de base 9 + 2 des microtubules trouvés dans la plupart des cils et des flagelles.

La figure 1 montre des micrographies électroniques à transmission (MET) d'un flagelle de sperme de souris en coupe transversale à plusieurs positions le long du flagelle. L'axonème central est visible avec ses neuf doublets externes entourant une paire de microtubules centraux simples (paire centrale ou CP). Chacun des doublets externes de microtubules porte deux rangées de projections appelées rangée intérieure et rangée extérieure de bras de dynéine. Ces bras sont composés de protéines motrices de dynéine qui alimentent la motilité. Les bras en dynéine sont à l'origine de la force motrice qui plie le flagelle. Les chaînes lourdes de dynéine (DHC) des bras forment des ponts entre les doublets externes et subissent une course de puissance entraînée par Mg-ATP qui génère une action de glissement (ou de cisaillement) entre les doublets.

Ultrastructure d'un flagelle de sperme de mammifère.

MET de flagelles de spermatozoïdes de souris. Une série de coupes transversales sont affichées qui montrent l'axonème et les éléments périaxonémiques d'un flagelle de sperme de souris à des positions progressivement plus distales le long du flagelle à partir du panneau UNE à E. Les sections ne proviennent pas du même flagelle mais ont été alignées pour montrer des caractéristiques comparatives dans la même orientation. MS, FS, ODF, microtubule doublet (MT), LC du FS, RS, CP, bras de dynéine interne et bras de dynéine externe sont étiquetés. Les ODF 1, 5 et 6 sont étiquetés selon la convention de numérotation standard. Barre = 200 nm.

Comme le montre la figure 1, l'axonème 9 + 2 situé au centre des microtubules a des structures supplémentaires assez importantes qui l'entourent. Ces structures sont communes aux queues de sperme des espèces de mammifères et éclipsent souvent l'axonème central. Le premier ensemble supplémentaire de structures est constitué de neuf grandes fibres appariées à chacun des doublets. On les appelle les fibres denses externes (ODF). Contrairement aux doublets, ils ne sont pas composés de tubuline, mais sont des structures intermédiaires en forme de filament qui sont constituées d'un matériau semblable à la kératine (Olson, 1979 Brohmann et al., 1997 Olson et Sammons, 1980 Peterson, 1982 Kierszenbaum, 2002 Rivkin et al. ., 2008 ). Les ODF ne sont pas de longueur uniforme. Ceux associés aux doublets 1, 5 et 6 sont les plus longs et s'étendent aux de la longueur du flagelle, tandis que ceux des doublets 3 et 8 sont les plus courts et se terminent à la jonction de la pièce médiane avec la pièce principale (Lindemann et Gibbons, 1975 Serres et al., 1983 Lindemann et al., 1992).

Autour des ODF de la figure 1A se trouve une épaisse couche de mitochondries qui forment une gaine autour du flagelle juste sous la membrane externe de la cellule. Dans le sperme de taureau, cette gaine mitochondriale (MS) recouvre les 11 premiers µm du flagelle, appelé pièce médiane ou, alternativement, pièce médiane. À l'extrémité de la pièce intermédiaire, une deuxième gaine, appelée gaine fibreuse (FS), recouvre la partie suivante du flagelle, appelée pièce principale, comme le montre la figure 1B-D. La gaine de la pièce principale s'étend sur ∼40 µm dans le sperme de taureau. Dans tous les spermatozoïdes de mammifères, le FS diminue en épaisseur devenant progressivement plus mince dans la direction distale. Elle ne s'étend pas aux derniers microns du flagelle. La gaine devient considérablement réduite et les ODF sont absents dans la partie distale du flagelle, une région appelée embout que l'on peut voir sur la figure 1E.

Le MS et le FS apportent un soutien mécanique supplémentaire au flagelle et augmentent sa rigidité. Étant donné que les FS et les ODF se rétrécissent, le flagelle n'a pas une rigidité uniforme, devenant progressivement moins rigide dans la région distale. En plus du rôle mécanique de la gaine et des ODF, il est également bien documenté que la gaine et les ODF sont également le site de nombreuses enzymes qui soutiennent le métabolisme et la signalisation dans le sperme de mammifère (Vijayaraghavan et al., 1997 Eddy, 2007 ), mais ces fonctions dépassent le cadre de cet examen. Une grande partie de la description initiale de l'anatomie ultrastructurale unique du sperme de mammifère a d'abord été compilée par Fawcett et Phillips (Fawcett, 1958, 1975 Fawcett et Phillips, 1969, 1970 Phillips, 1972, 1997). Une première synthèse de la relation entre l'anatomie et la fonction a été publiée par Phillips et Olson (1973), qui a jeté les bases de notre compréhension actuelle.


Génération spontanée

Objectifs d'apprentissage

Expliquer la théorie de la génération spontanée et pourquoi les gens l'ont autrefois acceptée comme explication de l'existence de certains types d'organismes

Expliquez comment certains individus (van Helmont, Redi, Needham, Spallanzani et Pasteur) ont tenté de prouver ou de réfuter la génération spontanée

Les humains demandent depuis des millénaires : d'où vient la nouvelle vie ? La religion, la philosophie et la science ont toutes lutté avec cette question. L'une des explications les plus anciennes était la théorie de la génération spontanée, qui remonte aux anciens Grecs et a été largement acceptée tout au long du Moyen Âge.

La théorie de la génération spontanée

Le philosophe grec Aristote (384-322 av. Génération spontanée , l'idée que la vie peut naître de la matière non vivante. Aristote a proposé que la vie naît de la matière non vivante si la matière contenait pneuma (« chaleur vitale »). À titre de preuve, il a noté plusieurs cas d'apparition d'animaux provenant d'environnements auparavant dépourvus de tels animaux, tels que l'apparition apparemment soudaine de poissons dans une nouvelle flaque d'eau. [1]

Cette théorie a persisté jusqu'au 17ème siècle, lorsque les scientifiques ont entrepris des expérimentations supplémentaires pour la soutenir ou la réfuter. À cette époque, les partisans de la théorie citaient comment les grenouilles semblaient simplement apparaître le long des rives boueuses du Nil en Égypte lors des inondations annuelles. D'autres ont observé que des souris apparaissaient simplement parmi les céréales stockées dans des granges aux toits de chaume. Lorsque le toit a coulé et que le grain a moulé, des souris sont apparues. Jan Baptista van Helmont, un scientifique flamand du XVIIe siècle, a proposé que les souris puissent naître de chiffons et de grains de blé laissés dans un récipient ouvert pendant 3 semaines. En réalité, ces habitats fournissaient des sources de nourriture idéales et un abri pour que les populations de souris s'épanouissent.

Cependant, l'un des contemporains de van Helmont, le médecin italien Francesco Redi (1626-1697), a réalisé une expérience en 1668 qui a été l'une des premières à réfuter l'idée que les asticots (les larves de mouches) se génèrent spontanément sur de la viande laissée à l'air libre. air. Il a prédit qu'empêcher les mouches d'avoir un contact direct avec la viande empêcherait également l'apparition d'asticots. Redi a laissé de la viande dans chacun des six récipients ( Graphique 3.2 ). Deux étaient à l'air libre, deux étaient recouverts de gaze et deux étaient hermétiquement fermés. Son hypothèse a été confirmée lorsque des asticots se sont développés dans les bocaux découverts, mais aucun asticot n'est apparu dans les bocaux recouverts de gaze ou hermétiquement fermés. Il a conclu que les asticots ne pouvaient se former que lorsque les mouches étaient autorisées à pondre des œufs dans la viande, et que les asticots étaient la progéniture des mouches, et non le produit d'une génération spontanée.

Graphique 3.2 La configuration expérimentale de Francesco Redi consistait en un conteneur ouvert, un conteneur scellé avec un bouchon en liège et un conteneur recouvert d'un filet qui laissait entrer l'air mais pas les mouches. Les asticots n'apparaissaient que sur la viande dans le récipient ouvert. Cependant, des asticots ont également été trouvés sur la gaze du conteneur recouvert de gaze.

En 1745, John Needham (1713–1781) publia un rapport de ses propres expériences, dans lequel il fit brièvement bouillir un bouillon infusé de matière végétale ou animale, dans l'espoir de tuer tous les microbes préexistants. [2] Il a ensuite scellé les flacons. Après quelques jours, Needham a observé que le bouillon était devenu trouble et qu'une seule goutte contenait de nombreuses créatures microscopiques. Il a soutenu que les nouveaux microbes doivent avoir surgi spontanément. En réalité, cependant, il n'a probablement pas fait bouillir le bouillon suffisamment pour tuer tous les microbes préexistants.

Lazzaro Spallanzani (1729-1799) n'était cependant pas d'accord avec les conclusions de Needham et a effectué des centaines d'expériences soigneusement exécutées en utilisant un bouillon chauffé. [3] Comme dans l'expérience de Needham, le bouillon dans des bocaux scellés et des bocaux non scellés était infusé de matières végétales et animales. Les résultats de Spallanzani contredisaient les conclusions de Needham : les flacons chauffés mais scellés restaient clairs, sans aucun signe de croissance spontanée, à moins que les flacons ne soient ensuite ouverts à l'air. Cela suggère que des microbes ont été introduits dans ces flacons à partir de l'air. En réponse aux découvertes de Spallanzani, Needham a soutenu que la vie provenait d'une "force vitale" qui a été détruite lors de l'ébullition prolongée de Spallanzani. Tout scellement ultérieur des flacons empêchait alors l'entrée d'une nouvelle force vitale et provoquait une génération spontanée ( Graphique 3.3 ).

E. Capanna. "Lazzaro Spallanzani: Aux racines de la biologie moderne." Journal de zoologie expérimentale 285 non. 3 (1999):178-196.

R. Mancini, M. Nigro, G. Ippolito. "Lazzaro Spallanzani et sa réfutation de la théorie de la génération spontanée." Le Infezioni à Medicina 15 non. 3 (2007) : 199-206.

Graphique 3.3 (a) Francesco Redi, qui a démontré que les asticots étaient des descendants de mouches et non des produits de génération spontanée. (b) John Needham, qui a soutenu que les microbes sont apparus spontanément dans le bouillon à partir d'une "force vitale". (c) Lazzaro Spallanzani, dont les expériences avec le bouillon visaient à réfuter celles de Needham.

Décrivez la théorie de la génération spontanée et certains des arguments utilisés pour la soutenir.

Expliquez comment les expériences de Redi et Spallanzani ont remis en cause la théorie de la génération spontanée.

Refuser la génération spontanée

Le débat sur la génération spontanée s'est poursuivi jusqu'au 19e siècle, les scientifiques étant les partisans des deux côtés. Pour trancher le débat, l'Académie des sciences de Paris a offert un prix pour la résolution du problème. Louis Pasteur, un éminent chimiste français qui avait étudié la fermentation microbienne et les causes de la détérioration du vin, a accepté le défi. En 1858, Pasteur a filtré l'air à travers un filtre à canon en coton et, lors d'un examen microscopique du coton, il l'a trouvé plein de micro-organismes, suggérant que l'exposition d'un bouillon à l'air n'introduisait pas une "force vitale" dans le bouillon mais plutôt en suspension dans l'air. micro-organismes.

Plus tard, Pasteur réalise une série de flacons à longs cols torsadés (flacons « col de cygne ») dans lesquels il fait bouillir du bouillon pour le stériliser ( Graphique 3.4 ). Sa conception permettait à l'air à l'intérieur des flacons d'être échangé avec l'air de l'extérieur, mais empêchait l'introduction de micro-organismes en suspension dans l'air, qui se coinceraient dans les torsions et les courbures des cols des flacons. Si une force vitale en plus des micro-organismes en suspension dans l'air était responsable de la croissance microbienne dans les flacons stérilisés, elle aurait accès au bouillon, contrairement aux micro-organismes. Il a correctement prédit que le bouillon stérilisé dans ses flacons à col de cygne resterait stérile tant que les cols de cygne resteraient intacts. Cependant, si les cols étaient brisés, des micro-organismes seraient introduits, contaminant les flacons et permettant la croissance microbienne dans le bouillon.

L'ensemble d'expériences de Pasteur a réfuté irréfutablement la théorie de la génération spontanée et lui a valu le prestigieux prix Alhumbert de l'Académie des sciences de Paris en 1862. Dans une conférence ultérieure en 1864, Pasteur a articulé « Omne vivum ex vivo » (« La vie ne vient que de la vie »). Dans cette conférence, Pasteur raconta sa célèbre expérience du flacon en col de cygne, déclarant que « … la vie est un germe et un germe est la vie. Jamais la doctrine de la génération spontanée ne se relèvera du coup mortel de cette simple expérience. [4] Au crédit de Pasteur, il n'y en a jamais eu.

R. Vallery-Radot. La vie de Pasteur , trad. R.L. Devonshire. New York : McClure, Phillips and Co, 1902, 1:142.

Graphique 3.4 (a) Le scientifique français Louis Pasteur, qui a définitivement réfuté la théorie longtemps contestée de la génération spontanée. (b) La caractéristique unique en col de cygne des flacons utilisés dans l'expérience de Pasteur a permis à l'air d'entrer dans le flacon mais a empêché l'entrée de spores bactériennes et fongiques. (c) L'expérience de Pasteur comportait deux parties. Dans la première partie, le bouillon dans le ballon a été bouilli pour le stériliser. Lorsque ce bouillon a été refroidi, il est resté exempt de contamination. Dans la deuxième partie de l'expérience, le ballon a été bouilli puis le col a été rompu. Le bouillon dans ce flacon est devenu contaminé. (crédit b : modification du travail par « Wellcome Images »/Wikimedia Commons)

Comment la conception expérimentale de Pasteur a-t-elle permis à l'air, mais pas aux microbes, d'entrer, et pourquoi était-ce important ?

Quel était le groupe témoin dans l'expérience de Pasteur et qu'a-t-il montré ?


DISCUSSION

La méthylation des récepteurs joue un rôle essentiel dans la chimiotaxie bactérienne. A l'exception notable de Helicobacter pylori (Pittman et al., 2001), toutes les bactéries flagellées semblent employer une certaine forme de méthylation des récepteurs pour la chimiotaxie ʊlexander & Zhulin, 2007 Wuichet et al., 2007), bien que les détails mécaniques puissent varier considérablement d'une espèce à l'autre. Malgré sa prévalence, la méthylation des récepteurs n'a été étudiée de manière approfondie jusqu'à présent que dans les E. coli. On sait peu de choses sur ce mécanisme chez d'autres espèces de bactéries. Dans ce travail, nous avons exploré comment la modification covalente des sites d'adaptation affecte la signalisation de la chimiotaxie dans B. subtilis. Le récepteur canonique de l'asparagine, McpB, possède trois sites d'adaptation, situés aux résidus 371, 630 et 637 (Zimmer et al., 2000). Nous avons constaté que l'amidation du site 371 augmentait la sensibilité (i.e. l'affinité de liaison du récepteur à l'asparagine alors que les modifications correspondantes des sites 630 et 637 n'ont eu aucun effet substantiel. Nous avons également constaté que l'amidation des glutamates chargés négativement aux sites 630 et 637 diminuait l'activité de la kinase tandis que l'amidation du glutamate au site 371, à une seule exception près, augmentait l'activité de la kinase (Table  2 ). Enfin, le potentiel de surface électrostatique du domaine cytoplasmique de McpB a montré que des charges négatives aux sites d'adaptation pourraient expliquer davantage l'effet des modifications covalentes sur la capacité chimiotactique.

Les B. subtilis Les souches utilisées dans cette étude contiennent toutes du CheD, qui fonctionne dans le système d'adaptation du CheC en interagissant avec le CheC lorsque les niveaux de CheYp sont élevés, recrutant efficacement le CheD loin des récepteurs. Des expériences passées ont montré que des mutants dépourvus de cheD activer la kinase CheA mal (Kirby et al., 2001). Il est possible que les substitutions glutamate et glutamine au niveau des trois sites de méthylation modifient l'affinité du récepteur pour CheD, influençant ainsi l'activité de la CheA kinase. Ainsi, l'activité kinase nette dans la cellule pourrait refléter non seulement le changement direct du récepteur causé par la modification covalente des sites d'adaptation, mais aussi l'effet secondaire de la modification de l'affinité du récepteur pour CheD. Cependant, des expériences préliminaires indiquent que s'il y a de tels changements d'affinité, ils sont légers.

Comme mentionné dans les résultats, la raison pour laquelle nous avons pu utiliser des tests de chimiotaxie pour étudier la méthylation des récepteurs est qu'il existe deux autres systèmes d'adaptation dans B. subtilis, les systèmes CheC˽/Y et CheV. Ces systèmes sont redondants, avec deux suffisants pour la chimiotaxie, bien qu'avec une efficacité réduite (Rao et al., 2008). Dans nos expériences, le système de méthylation a été inactivé. Néanmoins, les cellules étaient toujours capables de migrer vers le haut des gradients d'attractif, bien qu'avec des efficacités variables en fonction de l'état de modification ʏig.  2 ). De plus, les cellules étaient incapables de s'adapter parfaitement (Table  2 ).

Rôle des interactions électrostatiques

Comme indiqué dans les résultats, la présence de charges négatives (glutamates) sur les sites 630 et 637 augmente considérablement le potentiel négatif de surface de la région d'adaptation ʏig.  3 ). Sur la base d'un modèle proposé par le laboratoire Falke pour la E. coli récepteurs, nous avons émis l'hypothèse que ces interactions électrostatiques affectent probablement l'emballage intra- et inter-sous-unités de la B. subtilis récepteurs. Cependant, les complexes récepteur–kinase dans B. subtilis et E. coli ont une polarité réciproque. La liaison de l'attractif augmente l'activité de la kinase dans B. subtilis alors qu'il l'inhibe dans E. coli. Cette polarité réciproque suggérerait potentiellement que le E. coli le modèle ne peut pas être entièrement appliqué à B. subtilis. Cependant, les différences d'activation de la kinase sont très probablement dues à la façon dont les deux ensembles de récepteurs interagissent avec la kinase et non aux récepteurs eux-mêmes. Les preuves proviennent d'études de localisation dynamique des récepteurs, où il a été démontré que la liaison de l'attractif perturbe l'emballage des récepteurs dans les deux B. subtilis et E. coli (Lamanna et al., 2005). Le tassement a été restauré une fois que les cellules se sont adaptées à l'attractif, probablement en partie à cause de la méthylation et de la neutralisation concomitante des interactions électrostatiques répulsives. De plus, ces résultats démontrent que malgré les différences de polarité, les mêmes changements de tassement des récepteurs sont observés chez les deux espèces de bactéries. En outre, ils démontrent que ces mêmes changements conduisent alternativement à l'activation de la kinase dans B. subtilis et l'inhibition de la kinase dans E. coli, fournissant une preuve supplémentaire que les différences sont dues à la façon dont les récepteurs interagissent avec la kinase et non avec la région d'adaptation, qui affecte directement l'emballage. Enfin, ces schémas de réorganisation sont également cohérents avec notre modèle où les interactions répulsives entre les glutamates chargés négativement aux sites 630 et 637 déstabilisent le récepteur et conduisent à une activité kinase accrue.

Dissemblance entre B. subtilis et E. coli est également intrinsèque aux récepteurs eux-mêmes. Dans E. coli, les substitutions de glutamines ou de glutamates à toutes les positions méthylables augmentent à la fois l'activité kinase et le 𠆊pparent K&# x02019 du récepteur &# x00028Li &# x00026 Weis, 2000 Sourjik &# x00026 Berg, 2002a&# x00029. Dans B. subtilis, cependant, nous avons constaté que l'état de modification des sites 630 et 637 n'affecte que l'activité kinase mais pas le 𠆊pparent K’. Seul l'état d'amidation du site 371 affecte le 𠆊pparent K’. Fait intéressant, nous avons trouvé dans notre modélisation structurelle que l'état d'amidation du site 371 n'affecte pas le potentiel de surface aussi fortement que les états d'amidation des sites 630 et 637.

Implication de l'activation et de la sensibilité étant découplées l'une de l'autre

Comme mentionné précédemment, l'activité et la sensibilité ne sont pas directement corrélées l'une à l'autre dans McpB. In particular, there are modifications with high activity and high apparent affinity 𨍱Q��) and others with low activity and low apparent affinity �𯘰Q� and 371E�𯘷Q). Likewise, there are modifications with high activity and low apparent affinity ���) and perhaps even one with low activity and high apparent affinity 𨍱Q𯘰Q𯘷Q). Dans E. coli, on the other hand, there is a direct, inverse correlation between the two (Sourjik & Berg, 2002b, 2004). In the models commonly used to explain receptor activity in E. coli, the receptor complex is assumed to exist in one of two states: ʁ) a high-affinity, low-activity state and ʂ) a low-affinity, high-activity state (Keymer et al., 2006 Mello & Tu, 2005 Rao et al., 2004). The equilibrium partitioning between these two states is determined by the concentration of chemoattractant and degree of methylation˺midation. Our data for McpB, however, imply that the mechanism for receptor activation cannot be described by a simple two-state model but instead requires a more complicated model involving additional conformational states. While we still lack the requisite biochemical data to construct such a quantitative model, our results nonetheless suggest that B. subtilis is able to independently tune these two factors.

Receptor structure

How are activity and sensitivity decoupled from one another? In particular, why do modifications to site 371 affect the 𠆊pparent K’ whereas ones to site 630 and 637 do not? While the actual mechanism is still unknown, we note that the associated mechanism of attractant binding is different in E. coli et B. subtilis. Dans E. coli, attractants bind across the dimer interface and induce a piston-like movement in the descending helix, the one emerging from the transmembrane region ʌhervitz & Falke, 1996 Yeh et al., 1993). Dans B. subtilis, attractant binds within an individual monomer and induces a rotation between the helices (Glekas et al., 2010 Szurmant et al., 2004). Site 371 is located on the descending helix. Thus, modifications to it may affect the ‘information flow’ towards both the sensing domain and the kinase, located at the turn (𠆋ottom’) of the receptor ʏig.  4 ). By contrast, sites 630 and 637 are on the ascending helix. Modifications to these sites may affect just the information flow solely towards the kinase ʏig.  4 ). In the three-dimensional structural model, of course, the three sites appear to form a closely spaced triad. The close proximity of the sites suggests that they may be affected by electrostatic interactions between them. It also suggests that modification of each site may affect not only the conformation of each monomer of the cytoplasmic domain separately but also the interface of the two monomers that form the tightly wound dimer. Finally, comparing a sequence alignment of other B. subtilis receptors such as McpA and McpC, we find that the triad of putative methylation sites, and presumably mode of action, is conserved in other B. subtilis receptors (Le Moual & Koshland, 1996).

Schematic representation of the McpB chemoreceptor monomer. The three adaptation sites are shown as white boxes. The cartoon shows that site 371 is in close proximity to the HAMP ( h istidine kinase, a denyl cyclase, m ethyl-accepting chemotaxis protein and p hosphatase) domain ʊravind & Ponting, 1999), which can transmit signals to ʊnd from) the sensing domain, the site where the ligand binds. Sites 630 and 637 can affect the signalling domain, which interacts with the kinase.

Comparison with previous work

Previously it was argued that the modification, amidation or methylation, of site 630 increased kinase activity whereas the modification of site 637 decreased it. These results were obtained from experiments where aspartate substitutions at each of the three sites and in combinations were examined using the tethered cell assay (Zimmer et al., 2000). This approach was based on previous work from the Koshland lab (Shapiro & Koshland, 1994), in which glutamate/glutamine residues were substituted with aspartate residues where a ‘permanent’ negative charge would be at the sites that could not be neutralized by methylation. Based on these previous studies, we anticipated that there would be some difference between sites 630 and 637 in the experiments reported in Tables  1 or ​ or2, 2 , but evidently there is none. One possible explanation for this discrepancy is that previously employed aspartate-for-glutamate/glutamine substitutions, which are shorter by one methylene group, may alter the conformation of the receptor in some unnatural way. Considering the close proximity of the three adaptation sites, it does seem plausible that moving the negative charge from its position in a glutamate to its position in an aspartate (the distance of a methylene group or 1.33 Å) could have unnatural effects.

Model for site-specific methylation during taxis in a concentration gradient of attractant

Based on the results of this work, we propose the following model for site-specific methylation. In the absence of attractant, we expect that site 371 is either amidated (i.e. glutamine) or methylated and sites 630 and 637 are unmethylated (i.e. glutamates). Such a modification state would be optimal in the sense that the kinase is maximally active and the 𠆊pparent K’ lowest. Thus, the bacteria would be able to detect a concentration gradient of attractant beginning at quite low concentrations. As the bacterium swam up the gradient, site 371 would gradually be deamidated when it is a glutamine or demethylated when a methyl-glutamate. This would have the effect of reducing kinase activity due to higher ambient concentrations of asparagine as part of the adaptation process and also increasing the 𠆊pparent K’, enabling the bacterium to optimally sense gradients at higher concentrations of attractant. Similarly, we expect that sites 630 and 637 would gradually become more methylated ʏor which amidation was used in this study as a mimic). This would have the effect of further reducing kinase activity as part of the adaptation process. Based on the relative timing of the demethylation and methylation steps (Kirby et al., 1999), we expect that changes at site 371 would occur more rapidly than those at sites 630 and 637. The reason why these two processes occur on different timescales, however, is still unknown.

Conclusion

In summary, we have found that amidation of site 371 increases McpB's apparent affinity for asparagine and also, in most cases, increases kinase activity. In addition, we found that amidation of sites 630 and 637 decreases kinase activity but does not affect the apparent affinity. These findings further our understanding of the site-specific methylation system in B. subtilis by demonstrating how the modification of specific sites can have varying effects on receptor function.


Résumé

Prokaryotic cells move through liquids or over moist surfaces by swimming, swarming, gliding, twitching or floating. An impressive diversity of motility mechanisms has evolved in prokaryotes. Movement can involve surface appendages, such as flagella that spin, pili that pull and Mycoplasma 'legs' that walk. Internal structures, such as the cytoskeleton and gas vesicles, are involved in some types of motility, whereas the mechanisms of some other types of movement remain mysterious. Regardless of the type of motility machinery that is employed, most motile microorganisms use complex sensory systems to control their movements in response to stimuli, which allows them to migrate to optimal environments.


Résumé

Multisubunit protein complexes are ubiquitous in biology and perform a plethora of essential functions. Most of the scientific literature treats such assemblies as static: their function is assumed to be independent of their manner of assembly, and their structure is assumed to remain intact until they are degraded. Recent observations of the bacterial flagellar motor, among others, bring these notions into question. The torque-generating stator units of the motor assemble and disassemble in response to changes in load. Here, we used electrorotation to drive tethered cells forward, which decreases motor load, and measured the resulting stator dynamics. No disassembly occurred while the torque remained high, but all of the stator units were released when the motor was spun near the zero-torque speed. When the electrorotation was turned off, so that the load was again high, stator units were recruited, increasing motor speed in a stepwise fashion. A model in which speed affects the binding rate and torque affects the free energy of bound stator units captures the observed torque-dependent stator assembly dynamics, providing a quantitative framework for the environmentally regulated self-assembly of a major macromolecular machine.

Biology is replete with examples of macromolecular protein complexes, which consist of smaller components that self-assemble to form functional molecular machines (1). Such machines perform essential biological functions across life forms, such as protein synthesis, ATP production, DNA replication, and intracellular transport (2 ⇓ ⇓ –5). The assembly of such complexes is known to be regulated at the level of gene transcription and protein synthesis, but little is known about the factors that control the fate of the assembly once the mature protein subunits enter their target space (cytoplasm, membrane, or cell wall). Typically, assembled protein complexes are assumed to be static, with functions independent of their mode of assembly.

A growing body of literature on subunit exchange in protein complexes is bringing this worldview into question (6). Among these, the bacterial flagellar motor, e.g., of Escherichia coli (Fig. 1UNE), has emerged as a prime example of a macromolecular complex whose assembly is dynamically modulated in a functionally relevant manner and serves as a case study in which a quantitative description of the process can be rigorously laid out. Self-assembled at the cell wall from over 20 different kinds of proteins, this motor propels cells through fluids by rotating extracellular helical filaments (7, 8). The part of the motor embedded in the inner membrane is called the rotor. Torque-generating stator units (each consisting of four MotA and two MotB proteins) bind to the peptidoglycan layer and apply torque on the rotor (9, 10). Up to 11 stator units work together to drive the motor and the bound units exchange with an inner membrane-embedded pool of unbound units (11 ⇓ –13). The motor adapts to changes in the mechanical load by changing the number of stator units, thereby matching output with demand (14 ⇓ –16). This dynamic self-assembly enables the cell to conserve resources. For example, when motors are first assembled and flagellar filaments are short, the torque required to spin them can be supplied by a small number of stator units, each of which passes the same number of protons per revolution (assuming tight coupling). A larger number of units waste energy without improving function.

(UNE) Schematic of the flagellar motor of E. coli. Helical filaments that propel the cell are driven at their base by the motor. A flexible hook connects the filament to the motor’s drive shaft, which passes through the L ring (in the outer or lipopolysaccharide membrane) and the P ring (at the peptidoglycan layer) to reach the rotor (green, in the inner or cytoplasmic membrane). Stator units (red) bind to the peptidoglycan layer, span the cytoplasmic membrane, and apply torque on the C ring (at the level of the horizontal dashed line) to drive the motor. Several stator units work together to drive the motor at any time, as shown in the cross-sectional view. (B) The cell is tethered to a surface via a short flagellar stub. The motor rotates the cell body and exerts a high torque, as depicted by the lower left black arrow. We apply an assistive electrorotation torque (green) on the cell via a high-frequency rotating electric field it spins the cell at high speed and reduces the motor torque (lower right). (C) A torque–speed curve for a motor with 10 stator units. The progress of the experiment, from points 1, 2, 3, 4 and back to 1, is described in the text. The motor loses 4 stator units between 2 and 3 and recruits an equal number between 4 and 1. The torque–speed curves for motors with fewer than 10 stator units are shown by the dotted lines. In moving from 1 to 2, the torque drops gradually from 1 to the knee and then rapidly from the knee to 2. If the electrorotation field is strong enough, the rotation reduces the torque to zero (at the zero-torque speed).

Here we report the precise dependence of stator stoichiometry on torque over the full range of operating conditions, at steady state as well as after sudden changes in motor torque. To control the torque, we used electrorotation (Fig. 1B), in which a fast-rotating electric field applies external torque on a tethered cell (17, 18). Cells were tethered to sapphire via a short sticky-filament stub, and the rotating electric field was applied using an apparatus developed earlier (Matériaux et méthodes). When the external field was turned on, the cell rapidly sped up. We measured the dynamics of stator remodeling following a change in motor rotation rate from low speeds of about 10 Hz to high speeds ranging from 50 Hz to 300 Hz. The torque produced by the motor over these speeds ranged from high torque at low speeds to zero torque (and occasionally negative torque) at 300 Hz. The motor released all its stator units at speeds near the zero-torque speed. When the external field was turned off, the external load returned to a large value, and the speed increased in a stepwise manner, as new stator units were recruited. We used these measurements and the tools of statistical physics to develop a model for the torque-dependent stator assembly, which captured the observed dynamics.


Why do flagella form a bundle only when they rotate counterclockwise during chemotaxis? - La biologie

The bacterial flagellar motor is a molecular machine that converts an ion flux to the rotation of a helical flagellar filament. Counterclockwise rotation of the filaments allows them to join in a bundle and propel the cell forward. Loss of motility can be caused by environmental factors such as temperature, pH, and solvation. Hydrostatic pressure is also a physical inhibitor of bacterial motility, but the detailed mechanism of this inhibition is still unknown. Here, we developed a high-pressure microscope that enables us to acquire high-resolution microscopic images, regardless of applied pressures. We also characterized the pressure dependence of the motility of swimming Escherichia coli cells and the rotation of single flagellar motors. The fraction and speed of swimming cells decreased with increased pressure. At 80 MPa, all cells stopped swimming and simply diffused in solution. After the release of pressure, most cells immediately recovered their initial motility. Direct observation of the motility of single flagellar motors revealed that at 80 MPa, the motors generate torque that should be sufficient to join rotating filaments in a bundle. The discrepancy in the behavior of free swimming cells and individual motors could be due to the applied pressure inhibiting the formation of rotating filament bundles that can propel the cell body in an aqueous environment.

Masayoshi Nishiyama's present address is The Hakubi Center, Kyoto University, Kyoto, Japan.


Cooperation and Communication

Bacteria cooperate when cells perform actions that benefit other cells or the entire colony, and these actions are selected for [8]. Bacteria have developed cooperative behavior to cope with difficult environmental conditions. Bacteria communicate between individual cells and with the entire colony in order to cooperatively form patterns [2]. Generally, a higher lever of cooperation is observed when conditions are less favorable, such as in high-agar or low-nutrient media [4].

Bacteria colonies can be through of as multicellular organisms for the purposes of identifying patterns of growth [1]. Bacteria are able to change the morphotype of their entire colony (for example, from branching to chiral) within a time period as short as 48 hours in order to better suit their environment [2]. The ability of the colony to adhere to one morphotype and to transition completely to another are both characteristics of cooperative multicellular behavior and intercellular communication.

Bacteria communicate with other cells within the colony using a variety of methods, including direct and indirect cell-cell physical and chemical interactions, long range chemical signaling, and chemotactic signaling. The production of wetting fluid is an example of an indirect physical interaction [2]. Examples of chemical interactions include: long-range and short-range chemorepulsion (movement of a cell away from a substance), short-range chemoattraction (movement of a cell towards a substance), and rotational chemotaxis (movement of a cell guided by a chemical concentration gradient) [7].