Lors de la reproduction sexuée, la transmission du matériel génétique est réalisée de façon verticale : des parents aux descendants.
À l’inverses, les bactéries se multiplient par divisions cellulaires de manière asexuée : le brassage génétique est donc pratiquement inexistant.
D’autres mécanismes interviennent pour contribuer aux modifications du génome bactérien, comme les transferts de matériel génétique horizontaux.
Ces processus expliquent notamment comment des résistances aux antibiotiques peuvent se transmettre dans différentes populations bactériennes.
On distingue trois modes de transferts horizontaux.
La conjugaison bactérienne
Elle repose sur le transfert de matériel génétique entre une bactérie donneuse (F+) et une bactérie receveuse (F-).
La bactérie donneuse est caractérisée par sa capacité à transmettre un état héréditaire conféré par un facteur de fertilité (facteur F) situé sur un plasmide.
La cellule donneuse s’amarre à la cellule receveuse grâce à la synthèse de pili sexuels.
Suite à ce transfert d’informations, la bactérie receveuse F- devient une bactérie F+ capable à son tour de transférer des fragments d’ADN en utilisant ces mêmes mécanismes.
La transduction bactérienne
La transduction est une autre voie d’échange génétiquequi repose sur le transfert horinzontal par l’intermédiaire de bactériophages.
Les bactériophages tempérés ont la capacité de s’intégrer dans le chromosome bactérien et de se répliquer en même temps que ce dernier : une fois intégré dans le chromosome, on le nomme « prophage ».
Dans certains cas, le prophage va se libérer du chromosome bactérien et devenir virulent : dès lors, il se multiplie et provoque la lyse de la bactérie.
Lors de sa libération, le prophage peut emporter avec lui plusieurs gènes bactériens issus du chromosome.
Le bactériophage sera alors apte à transférer ces gènes bactériens à une autre bactérie : on parle alors de transduction bactérienne.
La transformation bactérienne
Le dernier type de transfert étudié est caractérisé par un échange d’ADN nu d’une cellule donneuse (morte) à une cellule receveuse mise dans un état de compétence naturelle.
Suite à l’internalisation de l’ADN du donneur, un événement génétique aboutit à l’intégration de cet ADN dans le génome du receveur.
Il s’agit d’une recombinaison homologue qui nécessite une homologie entre l’ADN donneur et le chromosome du receveur.
Ainsi, les mécanismes de transferts horizontaux sont des facteurs contribuant à l’augmentation de diversité génétique au sein des populations bactériennes.
Application des transferts horizontaux en biotechnologie
Dans la majorité des cas, la réalisation artificielle d’un transfert horizontal respecte les étapes suivantes :
reconnaissance du gène d’intérêt possédant les propriétés à transférer et isolement de ce gène à l’aide d’enzymes qui ont la capacité de couper spécifiquement les régions encadrant le gène d’intérêt ;
insertion du gène dans une construction vectorielle (généralement un plasmide), puis transfert dans une bactérie où il va se multiplier : on dit que le gène est cloné ;
transfert du gène dans la cellule de l’organisme receveur à l’aide d’une micro-seringue, ou par voie biologique ou chimique ;
vérification de la bonne intégration du gène et de son expression.
L’une des applications en santé humaine est la production d’insuline humaine en bactérie qui permet de produire de grandes quantités de molécules à moindre coût.
La construction d’organismes génétiquement modifiés chez les végétaux repose le plus souvent sur l’utilisation d’une bactérie particulière : Agrobacterium tumefaciens qui a la particularité de pouvoir transférer de l’ADN dans les cellules végétales.
En éliminant les facteurs de virulence (gale du collet) et en insérant en lui le gène d’intérêt, Agrobacterium tumefaciens assure la possibilité de transfert du gène d’intérêt par voie biologique.
Ainsi, en agronomie, les objectifs principaux de l’application du génie génétique dans les cultures reposent sur la recherche de variétés de plantes nouvelles :
ayant des rendements de production plus élevés ;
qui résistent à des maladies ou des parasites ;
qui présentent des composantes nouvelles.
Mécanismes de complexification du génome
La construction d’arbres phylogénétiques contradictoires est un indice pouvant révéler la survenue d’un transfert horizontal.
Des similitudes génétiques traduisent généralement une information commune plus ou moins récente qui se transmet de génération en génération. Cependant, elles peuvent aussi provenir d’un transfert horizontal de gènes.
Or, dans ce cas, la proximité génétique ainsi révélée ne correspond pas à une filiation entre les espèces.
Pour rendre compte de l’histoire évolutive réelle la construction d’un réseau phylogénétique est plus pertinente.
Contrairement à l’arbre darwinien, le réseau phylogénétique présente des phénomènes d’évolution par fusion à l’origine de la création d’un réseau.
Ces réseaux permettent de mettre une information en valeur : les virus sont étroitement liés à notre évolution : on parle d’endosymbiose virale.
Certains virus sont capables d’intégrer une partie de leur génome dans celui de l’espèce qu’ils infectent (rétrovirus).
Ils contribuent ainsi, par l’apparition de nouvelles séquences chez l’espèce infectée, à un brassage génétique.
La plupart de ces séquences sont inactives mais certaines produisent des protéines fonctionnelles.
Pour expliquer la transition du procaryote à l’eucaryote on est réduit à des suppositions permettant de mettre en relief la théorie endosymbiotique.
Cette théorie permet d’expliquer la mise en place des mitochondries dans les cellules animales et des chloroplastes chez les cellules végétales :
il y a environ 2milliards d’années, une cellule eucaryote primitive aurait absorbé une bactérie aérobie ;
en résulte une interaction symbiotique entre la bactérie et cette cellule eucaryote et le maintien de cette symbiose au cours de l’évolution ;
la bactérie développe une relation étroite avec la cellule eucaryote et devient un organite cellulaire : la mitochondrie ;
cette cellule eucaryote hétérotrophe formée, qui respire à base de sulfate, va à son tour absorber une cyanobactérie ;
l’internalisation de cette bactérie va être à l’origine de la formation des chloroplastes ;
la cellule résultante devient alors capable de réaliser la photosynthèse et devient alors autotrophe.
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