Membrane, cytoplasme et nucléoïde

Imagine une usine sans murs intérieurs, où toutes les machines travaillent dans la même grande salle. C'est à peu près l'organisation d'une bactérie. Il n'y a pas de noyau, pas de mitochondrie, pas de compartiments fermés. Tout se passe dans le cytoplasme, entouré par la membrane. Pourtant, cette petite cellule fait tout ce que fait une cellule plus grande : elle se nourrit, produit de l'énergie, copie son ADN et fabrique ses protéines. Visitons cette usine, de la membrane qui contrôle les entrées jusqu'aux réserves qu'elle stocke.

Prends une bactérie lactique plongée dans du lait. Pour se nourrir, elle doit faire entrer le lactose, le sucre du lait, à travers sa membrane plasmique, une double couche de lipides hérissée de protéines. Le gaz carbonique et l'oxygène, petits et sans charge, traversent cette couche de lipides sans aide. Le lactose, lui, est trop gros et trop attiré par l'eau : il lui faut une protéine porteuse, une porte taillée pour lui. Et quand la bactérie veut accumuler ce sucre au-delà de ce qu'il y en a dehors, elle doit payer, en ATP ou en dépensant une différence d'ions qu'elle entretient de part et d'autre de sa membrane. La membrane bactérienne a une seconde fonction capitale : faute de mitochondrie, c'est elle qui porte la chaîne respiratoire, qui fournit l'essentiel de l'énergie quand la bactérie respire.

Sous la membrane, le cytoplasme est un gel épais, chargé d'enzymes, de sucres et de sels. Des milliers de ribosomes y lisent les messages des gènes et assemblent les protéines. On désigne les ribosomes par une valeur de sédimentation, notée S : elle dit à quelle vitesse une particule descend dans une ultracentrifugeuse, ce qui dépend de sa masse mais aussi de sa forme. C'est pourquoi ces chiffres ne s'additionnent pas : les deux sous-unités du ribosome bactérien valent 30S et 50S, et l'ensemble vaut 70S. Tes ribosomes à toi sont plus gros, 80S. Cette différence a une portée pratique. Plusieurs antibiotiques, comme la streptomycine, le premier médicament actif contre la tuberculose, se fixent sur le ribosome bactérien et bloquent la fabrication des protéines, en épargnant largement les ribosomes de tes cellules.

Le chromosome d'Escherichia coli, déroulé, mesurerait plus d'un millimètre, pour une cellule longue de deux micromètres : c'est comme plier une corde de plusieurs centaines de mètres dans une malle d'un mètre. La bactérie y parvient en tordant son ADN sur lui-même, comme un fil de téléphone qui s'enroule, grâce à des enzymes appelées topoisomérases, puis en le repliant en boucles tenues par des protéines. L'ensemble occupe une région du cytoplasme, le nucléoïde, qu'aucune membrane ne sépare du reste. Le chromosome est le plus souvent un anneau unique, avec des exceptions : Vibrio cholerae en possède deux. Chaque gène n'y existe en général qu'en un exemplaire, si bien qu'une mutation se manifeste tout de suite, sans copie de secours. C'est l'une des raisons de la rapidité avec laquelle les bactéries s'adaptent. Certains antibiotiques, comme la ciprofloxacine, visent d'ailleurs une de ces topoisomérases, la gyrase.

En plus de son chromosome, une bactérie peut porter des plasmides : de petits anneaux d'ADN qui se copient de façon indépendante. Ils ne sont pas indispensables à la vie de la cellule, mais ils lui donnent souvent un avantage. Beaucoup portent des gènes de résistance aux antibiotiques. Et surtout, ils peuvent passer d'une bactérie à une autre, parfois entre espèces différentes. Une bactérie résistante peut ainsi transmettre sa résistance à sa voisine, sans attendre une mutation. C'est l'un des mécanismes qui expliquent pourquoi la résistance aux antibiotiques se répand si vite dans le monde. Les chercheurs utilisent aussi des plasmides pour introduire un gène dans une bactérie.

Commence par la spiruline du lac Tchad. Cette cyanobactérie remplit son cytoplasme de petites vésicules pleines de gaz, qui la font remonter vers la surface, là où la lumière est la plus forte, et qui aident aussi à la récolter. Comme les autres cyanobactéries, elle rassemble dans de petits compartiments de protéines, les carboxysomes, les enzymes qui fixent le gaz carbonique. Beaucoup de bactéries mettent aussi de côté des réserves pour les périodes de disette : des grains de glycogène, des chaînes de phosphate, du soufre chez celles qui vivent des composés soufrés, ou un polyester, le PHB, dont l'industrie tire des plastiques biodégradables. Certaines bactéries des vases fabriquent même une file de minuscules cristaux de magnétite, les magnétosomes : la cellule se comporte comme l'aiguille d'une boussole et s'oriente dans le champ magnétique terrestre. On appelle tous ces éléments des inclusions.

Récapitulons la visite. La membrane plasmique trie ce qui entre et sort, et elle porte la chaîne respiratoire. Le cytoplasme contient les ribosomes 70S, plus petits que ceux de tes cellules. Le chromosome circulaire est replié dans le nucléoïde, sans membrane autour, et la bactérie n'a en général qu'une copie de chaque gène. Les plasmides apportent des gènes supplémentaires, dont des résistances, et peuvent passer d'une cellule à l'autre. Les inclusions servent de réserves ou d'outils. Il manque encore la pièce qui protège tout cela : la paroi, et la coloration qui permet de la distinguer.