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Taxonomie bactérienne
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Quelques définitions...

Pour parler d'un être vivant ou inanimé sans être obligé de le décrire par l'ensemble de ses caractères, on attribue un nom à chaque être qu'on sait reconnaître.

La classification est la méthode qui permet de classer des objets ou des organismes en groupes apparentés sur la base de critères divers.

Lorsque les objets sont des organismes, leur classification s'appelle taxonomie ou taxinomie (du grec "taxis" = arrangement). L'unité de classification ou taxon est l'espèce biologique.
Le but de la taxonomie est de permettre la description de groupes d'organismes distincts et reconnaissables.

La systématique est la description des caractères des groupes d'organismes, de leurs rapports entre eux et avec les organismes qui les ont précédés au cours de l'évolution.

La nomenclature est l'ensemble des règles qui président à l'attribution d'un nom à chaque taxon distinct.

L'identification d'une souche bactérienne, c'est-à-dire l'attribution à cette souche du nom d'un taxon, s'effectue par un processus de comparaison des caractères de cette souche avec ceux des modèles décrits dans la systématique.

1. BUTS ET PRINCIPES DE LA CLASSIFICATION BACTÉRIENNE

1.1. L'espèce biologique

Elle peut être définie comme un ensemble d'organismes reconnaissables par leurs caractères, partageant une même niche écologique, et capables de se reproduire sexuellement entre eux en donnant naissance à une progéniture fertile.

La classification repose sur l'étude phylogénétique: étude du mode de formation et de développement des espèces, grâce à l'anatomie comparée, la physiologie, la paléontologie.

1.2. L'espèce bactérienne

Elle ne peut pas être définie de la même façon que l'espèce biologique puisque, chez les bactéries, la reproduction est asexuée (sauf exception).

Il est difficile de donner une définition globale satisfaisante de l'espèce bactérienne mais on peut distinguer:

  • La nomenspecies: taxon défini dans un but pratique (médical, industriel) par quelques caractères "intéressants".
  • La taxospecies (phenospecies): ensemble d'individus ayant en commun la majorité de leurs caractères, et donc phénétiquement plus ou moins semblables.
  • La genospecies: ensemble d'individus complètement ou partiellement identiques d'un point de vue génétique, issus d'un même ancêtre.

Seuls les 2 derniers types peuvent être considérés comme scientifiques, et seront étudiés.

2. DIFFÉRENTES APPROCHES DE LA TAXONOMIE

2.1. Taxonomie phénétique

Elle est basée sur une estimation objective des ressemblances (étude du phénotype: manifestation apparente du patrimoine héréditaire) grâce à une appréciation numérique des modalités de chaque caractère.

                        2.1.1. Données phénotypiques

  • Choix des souches bactériennes

On étudiera des souches de provenance différente, en particulier des souches de référence, des souches caractéristiques des taxons définis au cours des classifications antérieures.

  • Choix des caractères

Ils sont analysés en grand nombre (au moins 60) et codés (le codage dépend de la nature du caractère, qualitatif ou quantitatif, et de sa valeur d'information génétique): ce sont des caractères anatomiques ou physiologiques mis en évidence par des tests simples:

  • Morphologie: forme de la bactérie, dimension, présence ou absence de spore, capsule, flagelle
  • Aspects tinctoriaux: coloration de Gram, Ziehl-Neelsen
  • Type trophique
  • Métabolisme: glucidique, protéique, lipidique
  • Sensibilité aux agents antimicrobiens, en particulier les antibiotiques.
  • etc.

Certains de ces caractères s'appuient sur une information génétique de grande taille.
Ex: macromolécules de paroi.

En dehors de ces rares caractères importants, la correspondance entre le phénotype et la taille du génome n'est pas connue. On est donc amené à donner le même poids à tous les caractères.

                        2.1.2. Mesure de l'affinité entre individus

Les données taxonomiques se présentent sous forme d'une matrice de données: tableau de N lignes (N = nombre d'individus) et n colonnes (n = nombre de caractères).

Exemple simplifié de taxonomie numérique: matrice de données (6 souches, 20 caractères)

Souches

Réponses aux tests T1 à T20
0: caractère négatif; 1: caractère positif

S1

001 001 011 111 101 000 00

S2

111 011 000 011 101 010 00

S3

001 001 011 101 011 000 10

S4

001 100 011 111 101 000 00

S5

010 001 011 101 011 000 10

S6

011 011 000 011 101 010 00

Pour estimer l'affinité entre 2 souches i et j, on utilise le coefficient de Jaccard-Sneath:

S (i,j) = Na/(Na + Nb)

S (i,j) = coefficient de similitude entre i et j (varie de 0 à 1)
Na = nombre de caractères positifs chez i et chez j
Nb = nombre de caractères différents chez i et j.

Ex : S (S5, S6) = 4 / (4+10) = 4 / 14 = 0,3

On peut aussi utiliser un indice de distance, D:

D (i,j) = 1 - S(i,j)

D = 0 pour 2 souches semblables (S (i,j) = 1)
D = 1 pour 2 souches n'ayant aucun caractère commun (S (i,j) = 0)

2.1.3. Méthode de classification et représentation graphique

On cherche à regrouper objectivement les souches en classes, construites en tenant compte de l'ensemble de leurs caractères: toutes les paires d'individus d'une même classe possèdent un grand nombre de caractères en commun, mais aucun ou très peu de caractères sont possédés par tous les individus de cette classe (on utilise pour cela l'indice de similitude ou de distance).

On peut utiliser ensuite une méthode hiérarchique ascendante (méthode la plus utilisée en bactériologie):

  • On regroupe d'abord les individus les plus semblables (présentant entre eux la distance minimale)
  • Puis les individus sont agrégés en grappes ayant un niveau de distance plus élevé, jusqu'à ce que tous les individus soient progressivement agrégés en une grappe unique.

L'arbre de classification est constitué par la liste des éléments (souches) qui se sont agrégés pour des niveaux hiérarchiques de plus en plus hauts, entre 0 (similitude complète entre 2 souches) et 100%.

Cet arbre est présenté graphiquement par un dendogramme:

Dendogramme

2.2. Taxonomie génotypique

L'étude globale du phénotype d'un individu, selon les méthodes décrites précédemment, ne renseigne que très imparfaitement sur la nature du génome, car:

  • Des individus très différents génétiquement mais vivant dans la même niche écologique, peuvent présenter les mêmes propriétés physiologiques.
  • Le phénotype ne peut exprimer la totalité du génotype (il y a environ 5000 gènes dans le chromosome d'E.coli).

C'est pourquoi le génotype doit être étudié pour une classification plus rigoureuse. Il conduit à la notion de genospecies.

Trois critères sont recherchés:

- GC% ou coefficient de CHARGAFF
- le taux d'hybridation ADN/ADN
- la séquence des ARN ribosomaux 16S et 5S

    2.2.1. Coefficient de Chargaff

  • Définition

Chargaff a montré que le contenu en bases puriques (guanine = G et adénine = A) et pyrimidiques (cytosine = C et thymine = T) de l'ADN variait d'un organisme à l'autre, mais était constant dans une espèce donnée.

Puisque les bases sont toujours appariées spécifiquement (G avec C, A avec T), le contenu en bases de l'ADN a d'abord été exprimé par le coefficient de Chargaff:

K = (A + T) / (G + C)

Actuellement, on préfère le coefficient GC%:

GC% = (G + C) x 100 / (A + T + G + C)

NB: chaque base est exprimée par sa concentration molaire.

GC% = 100 / (K + 1)

  • Applications

- 2 bactéries appartenant à la même espèce auront des GC%  identiques.

- 2 bactéries dont les GC% diffèrent de plus de 5% appartiennent à des espèces différentes.

- 2 bactéries ayant des GC% identiques n'appartiennent pas forcément à la même espèce (les séquences de bases peuvent être très différentes).

2.2.2. Taux d'hybridation ADN/ADN

Lorsque 2 valeurs de GC% sont identiques, la preuve que les 2 taxons descendent d'un ancêtre commun ne peut être apportée qu'en montrant que les séquences de leurs nucléotides sont identiques ou très voisines: on estime le taux d'hybridation de leur ADN au cours de la renaturation de l'ADN.

Les techniques d’hybridation ont permis :

  • De rapprocher des genres bactériens qui étaient à priori assez éloignés

Ex : les genres Shigella et Escherichia de la famille des Enterobacteriaceae

    • Phénotypiquement éloignés (caractères biochimiques différents)
    • Génotypiquement : les deux genres sont proches (% d’hybridation supérieur à 70%)
  • De créer des espèces ou genres nouveaux.

    2.2.3. Séquençage des ARN ribosomaux 

La structure des ARN est le reflet de l’information génétique. Le séquençage de ces molécules peut donc être utilisé à des fins taxonomiques.
Parmi les trois types d’ARN (23S, 16S et 5S), l’ARN 16S est le plus souvent analysé. On fait agir une ribonucléase T1 qui libère de courts fragments oligonucléotidiques qui se terminent toujours par G et qui seront séquencés.
Lorsque les ARN 16S de 2 organismes contiennent un ou plusieurs oligonucléotides semblables, ils sont apparentés.

                        2.2.4. Profils de restriction 

L’identification précise d’une bactérie peut être faite grâce à l’analyse des profils de restriction (électrophorèse) obtenus par action d’enzymes de restriction (endonucléases qui coupent l’ADN en des points précis et connus). Les profils obtenus sont comparés à ceux de souches connues (voir cours de biochimie).

2.3. Taxonomie immunologique

Les bactéries sont des mosaïques d’antigènes. L’identification de ces structures de surface peut être utilisée à des fins taxonomiques.
Ex : subdivision de l’espèce Salmonella enterica en de nombreux sérotypes.

2.4. Chimiotaxonomie

Il s’agit de l’analyse physico-chimique des cellules bactériennes ou de leurs composants dans un but taxonomique.
Ex : chez les bactéries à Gram positif, la composition en acides aminés du peptidoglycane peut être un critère de genre.

En fonction des avancées apportées par ces différentes approches, la classification est remise à jour. La classification est donc en perpétuel remaniement.

3. LA NOMENCLATURE

            3.1. Définition (rappel)

La nomenclature est l’ensemble des règles qui président à l’attribution d’un nom à chaque taxon.

            3.2. Principe

L’espèce est à la base de la classification. Les principaux groupes taxonomiques sont les suivants :

Principaux groupes taxonomiques

Exemples

Procaryotae

Gracilicutes

 

Scotobacteria

Bacilles à Gram négatif AAF

Enterobacteriaceae

 

Escherichia

Escherichia coli

De plus, on reconnaît à l’intérieur de l’espèce :

  • Des biovars : souches appartenant à la même espèce mais présentant des marqueurs biologiques chimiques différents.
  • Des sérovars : souches appartenant à la même espèce mais présentant des antigènes différents.
  • Des lysovars : souches appartenant à la même espèce mais présentant des sensibilités différentes aux phages.
  • Des pathovars : souches appartenant à la même espèce mais exprimant des pouvoirs pathogènes différents.

3.3. Règles 

Elles relèvent du Code International de Nomenclature (CIN).

  • Le Code de Nomenclature reconnaît les groupes taxonomiques suivants : classe (classis), sous-classe (subclassis), ordre (ordo ; abréviation ord.), sous-ordre (subordo ; abréviation subord.), famille (familia ; abréviation fam.), sous-famille (subfamilia ; abréviation subfam.), tribu (tribus), sous-tribu (subtribus), genre (genus ; abréviation gen.), sous-genre (subgenus ; abréviation subgen.), espèce (species ;abréviation sp.), sous-espèce (subspecies ;abréviation subsp.).
  • Toutes les nomenclatures sont des mots latins ou latinisés et de tels mots sont traditionnellement écrits en italiques ou ils sont soulignés dans un manuscrit. La typographie relève du domaine éditorial et non de la nomenclature si bien que le Code de Nomenclature ne donne aucune directive concernant l'utilisation des italiques ou du soulignement. Cette absence de directive est volontaire et ne correspond nullement à un oubli.
  • Aucun signe diacritique (á, à, â, ä, ã, é, è, ê, ë, í, î, ï, ñ, ó, ò, ô, ö, õ, ú, ù, û, ü, æ...) n'est toléré et les mots ne doivent pas contenir de trait d'union.

Ex: on doit écrire Bacteroides et non Bacteroïdes ou Nocardia otitidiscaviarum et non Nocardia otitidis-caviarum.

  • Particularités
    • Classes et sous-classes

Les noms des classes et des sous-classes prennent une majuscule. Stackebrandt a proposé de caractériser les classes par le suffixe -ia et les sous-classes par le suffixe -idae. Ces propositions ne sont pas officielles et leur respect n'est donc pas obligatoire.

En janvier 2002, Cavalier-Smith a introduit le concept de super-classe (superclassis) mais un tel rang hiérarchique n'est pas reconnu par le Code de Nomenclature.

  • Ordres, sous-ordres, familles, sous-familles, tribus et sous-tribus

Les noms des taxons d'un rang hiérarchique supérieur au genre et incluant les ordres sont au féminin pluriel, ils prennent une majuscule et ce sont des substantifs ou des adjectifs traités comme des substantifs. Ces noms sont formés en rajoutant un suffixe à la racine du nom du genre type : -ales pour l'ordre, -ineae pour le sous-ordre, -aceae pour la famille, -oideae pour la sous-famille, -eae pour la tribu et -inae pour la sous-tribu.

En latin ou en grec, la racine d'un nom se trouve généralement dans le génitif. Ainsi, la racine du nom de genre Actinomyces (nom grec actis -inis signifiant un rayon et nom grec myces -etis signifiant un champignon) est actinomycet- d'où les noms corrects donnés à la famille des Actinomycetaceae et à l'ordre des Actinomycetales. En revanche, la nomenclature du sous-ordre des Actinomycineae est incorrecte et elle devrait être remplacée par "Actinomycetineae".

  • Genres et sous-genres

Les noms des genres et des sous-genres sont au singulier, ils prennent une majuscule, ce sont des substantifs ou des adjectifs traités comme des substantifs et ce sont des noms latins ou latinisés.

Lorsqu'il est suivi d'un nom d'espèce, le nom d'un sous-genre est placé entre parenthèses et il est précédé de l'abréviation "subgen."
Ex : Moraxella (subgen. Branhamella) catarrhalis.

Les noms de genre et de sous-genre sont identiques pour le taxon qui inclut l'espèce type.
Ex : Moraxella pour le sous-genre qui inclut l'espèce type du genre Moraxella.

Les noms de genre peuvent être au masculin ou au féminin ou au neutre. Un nom de genre emprunté au latin ou au grec conserve son genre d'origine.
Ex : Bacillus (nom latin masculin signifiant une baguette) est un nom masculin, Sarcina (nom latin féminin signifiant un paquet) est un nom féminin, Stella (nom latin féminin signifiant une étoile) est un nom féminin…

  • Espèces

Les noms d’espèce sont écrits en italiques ou soulignés, sans majuscule.
Ex : Pseudomonas aeruginosa (genre Pseudomonas, espèce aeruginosa) ou P. aeruginosa.

4. PRINCIPES D’IDENTIFICATION 

4.1. Identification biochimique

Elle repose sur deux grands types de méthodes, éventuellement associées : méthodes dichotomiques et méthodes probabilistes.

                        4.1.1. Méthodes dichotomiques

Le nom du micro-organisme est obtenu par choix successifs dans une base de données en fonction des caractères testés, généralement dans un ordre hiérarchique.
Ex : cas des coques à Gram positif, catalase +, aéro-anaérobies facultatifs, fermentant le glucose, coagulase +, DNase +.

La dichotomie sera appliquée de la façon suivante :

Méthodes dichotomiques

NB : confirmation par le caractère DNase +.

4.1.2. Méthodes probabilistes

Le nom du micro-organisme est obtenu par un calcul de probabilité à partir des valeurs données à chaque caractère testé dans une base de données numériques. Chaque caractère est affecté, pour un micro-organisme donné, d’une probabilité d’être positif (ou négatif).

On utilise pour cela des logiciels d’identification, plus ou moins élaborés.
Exemple: APIWeb de bioMérieux (logiciel utilisé au cours des activités technologiques)

Document logo apiweb


                        4.1.3. Réalités de l’identification

L’interprétation des tests doit être faite avec esprit critique, en prenant en considération l’origine du prélèvement, les aspects macro- et microscopique, et le profil de sensibilité aux antibiotiques.

Un Staphylococcus aureus ensemencé sur api 20E deviendra, avec la base de données associée, Klebsiella ozaenae

4.2. Identification immunologique

Elle est réalisée grâce à des réactions d'agglutination sur lame.

  • Identification du sérotype au sein d’une espèce donnée : exemples du sérotypage de Salmonella, Shigella, E. coli (entéropathogène), P. aeruginosa
  • Identification d’une espèce précise grâce à ses antigènes (solubles) libérés dans certains produits pathologiques.

4.3. Identification génétique

  • Par des sondes nucléiques : technique utilisée dans le cas des bactéries de culture difficile (Mycoplasma, Legionella, Mycobacterium tuberculosis…) ou pour détecter des gènes codant pour certains facteurs de pathogénicité (entérotoxine, pili).
  • Par analyse de plasmides : technique utilisée pour détecter des gènes de résistance aux antibiotiques.
  • Par analyse moléculaire : technique réservée à des laboratoires spécialisés, pour des identifications plus précises (étude des ARNr, des constituants pariétaux…).

 

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Par Brigitte VERON - Collectif Photo-Reims