Biologie du lycée · Grades 10–12
18Les bactéries et la résistance aux antibiotiques
En 1941, un policier mourant d’une septicémie née d’une égratignure reçut les premières doses de pénicilline jamais administrées à un patient. Il se rétablit en quelques jours — puis rechuta et mourut quand la réserve, péniblement extraite d’une moisissure, fut épuisée. En une décennie, la pénicilline était fabriquée à la tonne et des infections qui tuaient depuis des millénaires devenaient curables en une semaine. En deux décennies, des bactéries que la pénicilline n’atteignait plus étaient courantes dans tous les hôpitaux. Ce chapitre dit pourquoi : comment les bactéries varient, comment un antibiotique les trie, et comment l’arithmétique d’une population de milliards d’individus change une mutation rare en un problème de service entier.
18.1 Comment les bactéries varient
Proposition 18.1 (Reproduction et variation chez les bactéries)
Une bactérie se reproduit en se divisant en deux après avoir copié son unique chromosome : les filles sont, aux erreurs de copie près, génétiquement identiques à la mère — un clone. En milieu riche, une division toutes les 20 minutes change une cellule en un milliard en dix heures. La variation génétique du clone a deux sources :
- les mutations (Chapitre 13), rares par division mais fréquentes dans une population de milliards ;
- le transfert horizontal de gènes : de l’ADN reçu d’une autre bactérie, de la même espèce ou d’une autre, le plus souvent sous forme de plasmide — un petit cercle d’ADN, distinct du chromosome, qui porte quelques gènes et peut passer d’une cellule à l’autre par un pont de membrane.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Exemple 18.2 (L’arithmétique d’une population)
Une mutation de résistance apparaît environ une fois sur divisions. Un flacon de bactéries a donc connu, dans les divisions qui l’ont produit, une dizaine de telles mutations ; une plaie infectée ou un intestin, avec bactéries, une dizaine de milliers. Toute population nombreuse de bactéries contient, avant tout usage d’antibiotique, des cellules qui y résistent — les répliques sur velours du Chapitre 13 l’ont prouvé.
18.2 Les antibiotiques
Définition 18.3 (Antibiotique)
Un antibiotique est une molécule qui tue les bactéries ou arrête leur croissance, à des concentrations inoffensives pour les cellules du patient, en agissant sur une structure ou un processus que les bactéries possèdent et que les cellules humaines n’ont pas : la pénicilline et ses proches bloquent la construction de la paroi bactérienne ; la streptomycine et la tétracycline bloquent le ribosome bactérien, qui diffère du nôtre ; d’autres bloquent les enzymes bactériennes de la réplication de l’ADN. La plupart ont d’abord été trouvés chez des moisissures et des bactéries du sol, qui les fabriquent contre leurs concurrents. Les antibiotiques n’ont aucun effet sur les virus, qui n’ont aucune de ces cibles.
Proposition 18.4 (Les mécanismes de la résistance)
Une bactérie est résistante à un antibiotique lorsqu’elle pousse à des concentrations qui arrêtent ses parentes sensibles. La résistance a une base génétique de l’une de quelques sortes : un gène codant une enzyme qui détruit l’antibiotique (les pénicillinases coupent la pénicilline en deux) ; une mutation qui modifie la cible de l’antibiotique de sorte que le médicament ne s’y fixe plus (une protéine ribosomique changée) ; une pompe qui expulse le médicament ; une paroi qui ne le laisse pas entrer. Chacune est un allèle ou un gène, et chacune est héritée — verticalement par le clone et, quand elle est sur un plasmide, horizontalement par les voisines.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Méthode 18.5 (Lire un antibiogramme)
Un antibiogramme teste les bactéries d’un patient contre plusieurs antibiotiques à la fois.
- Étaler les bactéries uniformément sur une boîte ; déposer des disques de papier imprégnés chacun d’un antibiotique ; incuber une nuit.
- L’antibiotique diffuse hors du disque, sa concentration décroissant avec la distance ; les bactéries poussent en tapis sauf là où la concentration les arrête : une zone d’inhibition claire entoure chaque disque.
- Mesurer le diamètre de chaque zone et le comparer au seuil établi pour cet antibiotique : un diamètre supérieur au seuil signifie sensible, inférieur résistant.
- Les plus grandes zones parmi les résultats sensibles orientent la prescription ; un disque sans aucune zone désigne un antibiotique que la souche ignore.
18.3 Comment la résistance se répand
Proposition 18.6 (La sélection par l’antibiotique)
Un antibiotique ne crée pas de bactéries résistantes ; il les sélectionne. Dans une population où quelques cellules portent un allèle de résistance, le médicament tue ou arrête la majorité sensible et laisse les quelques résistantes se multiplier sans concurrence : en quelques jours, la population est résistante. Plus un antibiotique est utilisé — chez les patients, chez les animaux, dans l’environnement — plus souvent ce tri se produit, et plus les bactéries d’un hôpital, d’une ferme ou d’un pays deviennent résistantes. Une cure incomplète, qui tue les cellules les plus sensibles et épargne les moins sensibles, sélectionne plus efficacement que tout le reste.
Faits expérimentaux. Les répliques sur velours de Lederberg ont montré que les cellules résistantes étaient présentes avant l’exposition. Des cultures menées une semaine dans des concentrations croissantes d’antibiotique finissent résistantes à cent fois la dose initiale, et leur résistance est héréditaire et se rapporte à des mutations précises. Les pays qui consomment le plus d’antibiotiques par habitant ont les plus fortes proportions de souches résistantes ; les services hospitaliers qui réduisent leur consommation voient la résistance baisser en quelques mois. Une souche de la bactérie cutanée Staphylococcus aureus résistante à la pénicilline est apparue quatre ans après l’introduction du médicament et représente aujourd’hui la majorité des souches hospitalières ; la souche résistante au médicament de remplacement a suivi ce remplacement de deux ans. ∎
Exemple 18.7 (D’une cellule à un service)
Un patient traité à la pénicilline porte, parmi bactéries, une centaine de résistantes. En trois jours, les sensibles ont disparu et le clone résistant a pris la place : cellules résistantes. Sur les mains d’une infirmière, sur une barrière de lit, chez le patient voisin, le clone continue — et si son gène de résistance est sur un plasmide, il le passe en chemin à d’autres espèces. Rien dans cette suite n’exigeait que l’antibiotique agisse sur l’ADN ; il n’a fait qu’écarter la concurrence.
18.4 Faire durer les antibiotiques
Proposition 18.8 (Conséquences et réponses)
Les infections résistantes sont plus longues, plus coûteuses et plus souvent mortelles ; certaines souches résistent aujourd’hui à tous les médicaments disponibles. Comme la résistance est entraînée par l’usage, la réponse consiste à utiliser les antibiotiques moins et mieux : seulement contre les infections bactériennes (jamais contre les rhumes et les grippes virales), choisis après un antibiogramme quand c’est possible, à pleine dose et pour toute la durée de la cure, avec le médicament au spectre le plus étroit qui fonctionne ; à limiter leur usage en élevage ; à prévenir les infections (hygiène, vaccination) pour que moins de cures soient nécessaires ; et à isoler les porteurs de souches résistantes à l’hôpital. Les nouveaux antibiotiques achètent du temps ; l’arithmétique de la sélection garantit que la résistance à chacun apparaîtra.
Démonstration. Admis à ce niveau. ∎
Remarque 18.9 (L’évolution en une semaine)
La mutation qui fournit au hasard la variation, l’environnement qui la trie, les descendants des survivants qui héritent la différence : les bactéries de ce chapitre parcourent en une semaine le processus que la dernière année décrira sur des millions d’années pour les baleines et les chênes. La résistance aux antibiotiques, c’est l’évolution par sélection naturelle observée en temps réel, avec l’humain pour agent de sélection — et la démonstration la plus claire que le processus n’est pas une théorie sur le passé mais un fait valable pour toute population qui varie et se reproduit.
18.5 Exercices
Exercice 18.1 ★
Nommer les deux sources de variation génétique d’une population bactérienne.
Solution
Solution de Exercice 18.1.
Les mutations qui surviennent au cours des divisions du clone, et le transfert horizontal de gènes — de l’ADN, le plus souvent un plasmide, reçu d’une autre bactérie.
Exercice 18.2 ★
Qu’est-ce qu’un antibiotique, et pourquoi nuit-il aux bactéries et non aux cellules du patient ? Pourquoi est-il inutile contre un rhume ?
Solution
Solution de Exercice 18.2.
Une molécule qui tue les bactéries ou arrête leur croissance en agissant sur une structure que les bactéries possèdent et que les cellules humaines n’ont pas (la paroi, le ribosome bactérien, les enzymes bactériennes de réplication). Un rhume est viral, et les virus n’ont aucune de ces cibles.
Exercice 18.3 ★
Donner trois mécanismes par lesquels une bactérie peut résister à un antibiotique.
Solution
Solution de Exercice 18.3.
Une enzyme qui détruit l’antibiotique ; une cible mutée sur laquelle le médicament ne se fixe plus ; une pompe qui expulse le médicament (ou une paroi qui l’exclut).
Exercice 18.4 ★
Sur la figure de l’antibiogramme, un nouveau disque F donne une zone de pour un seuil de . Sensible ou résistante ? Quel antibiotique prescririez-vous parmi A à F ?
Solution
Solution de Exercice 18.4.
Sensible (20 au-dessus de 18), mais de justesse. D, dont la marge au-dessus du seuil est la plus large, puis A.
Exercice 18.5 ★
Un antibiotique cause-t-il les mutations de résistance ? Justifier avec l’expérience du Chapitre 13.
Solution
Solution de Exercice 18.5.
Non. Sur les répliques sur velours, les colonies résistantes apparaissent aux mêmes positions sur chaque boîte à antibiotique : les cellules résistantes existaient donc dans les colonies d’origine, qui n’avaient jamais rencontré le médicament. L’antibiotique révèle et sélectionne ; il n’induit pas.
Exercice 18.6 ★★
En partant d’une bactérie qui se divise toutes les 20 minutes, combien y en a-t-il après 10 heures ? Si la résistance apparaît une fois pour divisions, combien de cellules résistantes la culture contient-elle probablement ?
Exercice 18.7 ★★
Sur la figure de la sélection, à quel jour les cellules résistantes deviennent-elles majoritaires ? Quelle est la population totale au jour 6 dans le cas en pointillés, et de quoi est-elle faite ?
Solution
Solution de Exercice 18.7.
Vers le jour 3, quand les cellules sensibles sont tombées à environ 0.2 % et les résistantes montées à environ 1 %. Au jour 6, le total en pointillés est revenu à 100 %, fait presque uniquement de cellules résistantes (les sensibles survivantes du jour 3 ont repoussé aussi, mais à partir d’une base plus petite).
Exercice 18.8 ★★
Expliquer pourquoi un gène de résistance porté par un plasmide se répand plus vite qu’un gène porté par le chromosome.
Exercice 18.9 ★★
Un patient se sent mieux après trois jours d’une cure de sept jours et s’arrête. Expliquer, à l’aide de la figure, ce qui se passe les jours suivants et pourquoi la rechute est plus difficile à traiter.
Solution
Solution de Exercice 18.9.
Au jour 3, les cellules sensibles sont tombées à une fraction de pour cent tandis que les résistantes montent ; sans le médicament, toutes les survivantes repoussent, et la population qui revient est bien plus riche en cellules résistantes que l’originale. La rechute ne répond plus au même médicament.
Exercice 18.10 ★★
Pourquoi la proportion de souches résistantes est-elle plus élevée à l’hôpital que dans la population générale ?
Solution
Solution de Exercice 18.10.
Les hôpitaux emploient les antibiotiques intensivement chez de nombreux patients rassemblés : la sélection est constante et les souches sélectionnées passent d’un patient à l’autre par les mains et les surfaces.
Exercice 18.11 ★★
Expliquer pourquoi une mutation qui modifie une protéine ribosomique peut rendre une bactérie résistante à la streptomycine, et pourquoi une telle bactérie pousse souvent un peu plus lentement que ses parentes sensibles.
Solution
Solution de Exercice 18.11.
La streptomycine agit en se fixant sur une protéine ribosomique ; une protéine changée ne la fixe plus et la traduction continue. Mais le changement gêne aussi un peu le travail normal du ribosome, si bien que la synthèse des protéines, et la croissance, sont un peu plus lentes — un coût de la résistance.
Exercice 18.12 ★★★
Deux antibiotiques de cibles différentes sont donnés ensemble. Estimer la probabilité qu’une cellule résiste aux deux par des mutations indépendantes (une sur chacune), et expliquer pourquoi une bithérapie est utilisée contre les infections lentes et longues comme la tuberculose.
Solution
Solution de Exercice 18.12.
par division : avec bactéries, il est peu probable qu’une cellule porte les deux. Dans la tuberculose, le traitement dure des mois et les bactéries se comptent en milliards, si bien que la résistance à un seul médicament est certaine d’être sélectionnée ; deux médicaments à la fois ne laissent aucune survivante à sélectionner.
Exercice 18.13 ★★★
Un élevage ajoute de faibles doses d’antibiotique à l’aliment des animaux pour accélérer leur croissance. Prévoir les conséquences pour les bactéries des animaux, pour les employés de l’élevage et pour la médecine humaine, en utilisant la sélection et le transfert horizontal.
Solution
Solution de Exercice 18.13.
De faibles doses sélectionnent des souches résistantes dans l’intestin des animaux sans tuer la population ; les employés les acquièrent par contact ; des plasmides portent les gènes jusque dans des pathogènes humains et dans l’environnement par le lisier. La résistance au médicament, et à des médicaments humains apparentés, monte en médecine.
Exercice 18.14 ★★★
Un service divise par deux ses prescriptions d’antibiotiques ; en un an la proportion de souches résistantes baisse. Expliquer pourquoi la résistance peut reculer, en utilisant le coût de la résistance pour la bactérie et la concurrence.
Solution
Solution de Exercice 18.14.
La résistance coûte souvent quelque chose à la bactérie (un ribosome plus lent, une enzyme à fabriquer) : sans le médicament, les cellules sensibles croissent un peu plus vite et l’emportent sur les résistantes au fil des générations. La proportion baisse — mais les gènes de résistance restent dans la population à basse fréquence, prêts à être sélectionnés de nouveau.
Exercice 18.15 ★★★
« Les bactéries deviennent résistantes parce qu’elles s’habituent à l’antibiotique. » Réécrire cette phrase correctement, en un court paragraphe, avec la mutation, la sélection et l’hérédité.
Solution
Solution de Exercice 18.15.
Les bactéries ne s’adaptent pas individuellement. Dans toute population nombreuse, quelques cellules portent, par mutation aléatoire ou par un plasmide reçu d’une autre cellule, un allèle qui les rend résistantes. L’antibiotique tue les autres ; les cellules résistantes se multiplient et transmettent l’allèle à leurs descendantes. La population devient résistante parce qu’elle a été triée, non parce que ses membres ont appris quoi que ce soit.
18.6 Problème : le service
Problème 18.1
Problème du week-end — une épidémie dans un service hospitalier suivie depuis une seule cellule mutante : l’arithmétique d’une colonie, un antibiogramme lu, une cure interrompue, et la politique qui arrête la propagation
La plaie d’un patient est infectée par bactéries d’une même espèce. Les bactéries se divisent toutes les 30 minutes ; une mutation donnant la résistance à l’antibiotique amoxicilline survient une fois pour divisions. L’antibiotique tue 90 % des cellules sensibles toutes les 6 heures et n’a aucun effet sur les cellules résistantes, qui continuent de se diviser.
Partie I — Avant le traitement.
- Combien de divisions ont produit les bactéries à partir de la première cellule ? (Compter le nombre de cellules.)
- Estimer le nombre de cellules résistantes présentes avant tout antibiotique.
- Expliquer pourquoi l’infection du patient est néanmoins qualifiée de « sensible » sur l’antibiogramme.
- L’antibiogramme montre des zones de pour l’amoxicilline (seuil 17), pour l’érythromycine (seuil 20) et aucune pour la pénicilline. Interpréter les trois résultats.
- Le médecin prescrit de l’amoxicilline pour 7 jours. Pourquoi pas de la pénicilline, et pourquoi pas le médicament à la plus grande zone si l’une avait été plus grande ?
Partie II — Pendant le traitement.
- Combien de cellules sensibles reste-t-il après 1 jour ? Après 3 jours ?
- En partant de votre réponse à la question 2, combien y a-t-il de cellules résistantes après 1 jour si elles doublent toutes les 30 minutes sans limite ? (Utiliser .) Pourquoi ce chiffre est-il irréaliste, et qu’est-ce qui le limite ?
- Supposons que le clone résistant soit limité à la place que libèrent les cellules sensibles, de sorte qu’il ne puisse pas dépasser . Vers quand remplit-il cette place ?
- Esquisser, ou décrire, les courbes des cellules sensibles, résistantes et totales sur les 7 jours.
- En réalité, le système immunitaire du patient élimine en quelques jours les derniers millions de cellules, quelles qu’elles soient. Expliquer pourquoi l’issue dépend de ce que le clone résistant croisse plus vite ou moins vite que le système immunitaire ne l’élimine.
Partie III — La cure interrompue.
- Le patient s’arrête au bout de 2 jours, se sentant bien. Combien de cellules sensibles reste-t-il, et quelle fraction de la population survivante est résistante ?
- Les bactéries repoussent jusqu’à les jours suivants. Quelle proportion est désormais résistante, si les cellules résistantes et sensibles croissent au même rythme ?
- Le patient rechute et reçoit de nouveau de l’amoxicilline. Prévoir le résultat.
- Un antibiogramme de la rechute ne montre aucune zone pour l’amoxicilline. Expliquer le changement par rapport au premier antibiogramme.
- Le gène de résistance est sur un plasmide. Quel risque supplémentaire cela ajoute-t-il pour le service ?
Partie IV — La politique du service. Le service traite 400 patients par an à l’amoxicilline ; 30 % des infections isolées dans le service sont désormais résistantes, contre 5 % en ville.
- Expliquer la différence entre le service et la ville en termes de pression de sélection.
- Le service décide : antibiogramme avant toute prescription, cures menées à leur terme, hygiène des mains et isolement des porteurs de souches résistantes. Dire sur quel mécanisme du chapitre chaque mesure agit.
- Au bout de deux ans, la résistance dans le service est de 12 %. Expliquer pourquoi elle a baissé, et pourquoi elle n’est pas revenue à 5 %.
- Pourquoi un nouvel antibiotique introduit dans le service ne résoudrait-il pas le problème plus de quelques années ?
- Énoncer le résultat : le nombre de cellules résistantes que la plaie contenait avant tout médicament, le jour où elles en ont hérité, et l’unique habitude du patient qui a changé une infection curable en une épidémie.
Solution
Solution de Problème 18.1.
1. Environ divisions (une par cellule produite).
2. cellules résistantes, en moyenne.
3. Cent cellules sur dix milliards sont invisibles sur une boîte : le tapis se comporte comme sensible parce que 99.999999 % de lui l’est.
4. Amoxicilline : sensible (24 au-dessus de 17). Érythromycine : résistante (12 en dessous de 20). Pénicilline : pleinement résistante, aucune inhibition.
5. La pénicilline est sans effet sur cette souche. Le choix parmi les médicaments efficaces pèse aussi les effets secondaires et le spectre ; on préfère le médicament efficace au spectre le plus étroit, pour épargner les autres bactéries du patient.
6. Quatre périodes de 6 heures par jour : après 1 jour ; après 3 jours — autant dire aucune.
7. : absurde, bien plus que ce que la plaie pourrait contenir. La croissance est limitée par la place, les nutriments et le système immunitaire.
8. Passer de 100 cellules à demande doublements, soit environ 13 heures ; en pratique la place se libère au cours du premier jour, si bien que du jour 1 au jour 2 le clone résistant a remplacé la population sensible.
9. Sensibles : en baisse d’un facteur 10 toutes les 6 heures jusqu’à disparaître au jour 3. Résistantes : montant de 100 à remplir la place en un jour ou deux, puis stables à . Total : un creux pendant le jour 1, puis retour à , désormais toutes résistantes.
10. Si le système immunitaire élimine les cellules plus vite que la centaine de résistantes ne peut se multiplier, l’infection s’achève malgré elles ; si le clone dépasse l’élimination, l’infection devient résistante. Les antibiotiques travaillent avec le système immunitaire, non à sa place.
11. Sensibles après 2 jours : . Résistantes : environ si le clone a rempli la place, ou au moins plusieurs milliers : les survivantes sont presque toutes résistantes.
12. Croître au même rythme conserve la proportion : la population est pour ainsi dire résistante à 100 %.
13. Aucun effet : le clone résistant ignore l’amoxicilline.
14. La première boîte portait la population d’origine, sensible à 99.999999 % ; la boîte de la rechute porte le clone sélectionné, entièrement résistant, si bien que le tapis pousse jusqu’au disque.
15. Le gène peut passer à d’autres espèces portées par d’autres patients ou par le personnel, si bien que les autres pathogènes du service peuvent devenir résistants sans attendre leur propre mutation.
16. Dans le service, 400 cures par an dans une petite population fermée trient continuellement les bactéries, et les souches sélectionnées passent d’un patient à l’autre ; en ville, la sélection est diluée entre de nombreuses personnes et de nombreuses espèces.
17. L’antibiogramme : choisir un médicament auquel la souche ne résiste pas, de sorte qu’aucun clone ne soit sélectionné. Les cures complètes : aucune cure interrompue ne laisse repousser les survivantes résistantes. L’hygiène : aucune transmission du clone sélectionné d’un patient à l’autre. L’isolement : aucune propagation horizontale ni verticale à partir des porteurs.
18. Une sélection moindre a laissé les souches sensibles, qui croissent un peu plus vite, regagner du terrain, et la transmission des résistantes a été coupée. Elle n’est pas revenue à 5 % parce que les souches résistantes et leurs plasmides persistent à basse fréquence et sont resélectionnés par chaque cure restante.
19. Toute population bactérienne nombreuse contient des cellules résistantes au nouveau médicament par mutation fortuite ; l’utiliser les sélectionne, et en quelques années la souche résistante est courante, comme pour tous les antibiotiques introduits jusqu’ici.
20. Environ une centaine de cellules résistantes sur dix milliards avant tout médicament ; le deuxième jour du traitement, elles ont hérité de la plaie ; arrêter la cure trop tôt a changé l’infection curable en une infection résistante qui s’est répandue.