Fission binaire chez les bactéries

La fission binaire dans les cellules bactériennes

Nous avons appris comment les cellules eucaryotes se divisent par la mitose ou la méiose. Mais la division des cellules procaryotes est différente. La plupart des organismes procaryotes, bactéries et archées, se divisent et se reproduisent par fission binaire. La fission binaire est similaire au cycle cellulaire car il s'agit d'un autre processus de division cellulaire, mais le cycle cellulaire ne se produit que chez les organismes eucaryotes. Tout comme le cycle cellulaire, la fission binaire commence par une cellule mère, puis réplique son chromosome d'ADN et se termine par deux cellules filles génétiquement identiques . Bien que les cellules filles soient des clones, elles sont également des organismes individuels car ce sont des procaryotes (individus unicellulaires). C'est une autre façon dont la fission binaire diffère du cycle cellulaire, qui produit de nouvelles cellules (pour la croissance, l'entretien et la réparation chez les eucaryotes multicellulaires) mais pas de nouveaux organismes individuels. Nous allons approfondir ci-dessous le processus de fission binaire chez les bactéries.

Chez les protistes, la division cellulaire équivaut également à la reproduction d'un organisme puisqu'il s'agit d'organismes unicellulaires. Ainsi, certains protistes se divisent et se reproduisent également de manière asexuée par fission binaire (ils ont également d'autres types de reproduction asexuée) dans le sens où une cellule/organisme parent réplique son ADN et se divise en deux cellules filles. Cependant, les protistes sont des eucaryotes et possèdent donc des chromosomes linéaires et un noyau. Par conséquent, la fission binaire n'est pas exactement le même processus que chez les procaryotes car elle inclut la mitose (il s'agit toutefois d'une mitose fermée chez la plupart des protistes).

Processus de fission binaire chez les bactéries

Le processus de fission binaire chez les bactéries et les autres procaryotes est beaucoup plus simple que le cycle cellulaire chez les eucaryotes. Les procaryotes ont un seul chromosome circulaire qui n'est pas enfermé dans un noyau, mais qui est plutôt attaché à la membrane cellulaire en un seul point et qui occupe une région cellulaire appelée nucléoïde. Les procaryotes n'ont pas d'histones ni de nucléosomes comme les chromosomes eucaryotes, mais la région du nucléoïde contient des protéines d'emballage, semblables à la condensine et à la cohésine, utilisées pour condenser les chromosomes eucaryotes.

Ainsi, la fission binaire chez les bactéries diffère de la mitose car ce chromosome singulier et l'absence de noyau rendent le processus de fission binaire beaucoup plus simple. Il n'y a pas de membrane de noyau à dissoudre et la division des chromosomes dupliqués ne nécessite pas la même quantité de structures cellulaires (comme le fuseau mitotique) que dans la phase mitotique des eucaryotes. Par conséquent, nous pouvons diviser le processus de fission binaire en seulement quatre étapes.

Schéma de la fission binaire chez les bactéries

Les quatre étapes de la fission binaire sont représentées dans la figure 1 ci-dessous, que nous expliquons dans la section suivante.

Figure 1 : La fission binaire chez les bactéries. Source : JWSchmidt, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons

Étapes de la fission binaire chez les bactéries

La fission binaire chez les bactéries se déroule en quatre étapes: La réplication de l'ADN, la croissance cellulaire, la ségrégation du génome et la cytokinèse.

Réplication de l'ADN. Tout d'abord, la bactérie doit répliquer son ADN. Le chromosome circulaire de l'ADN est attaché à la membrane cellulaire en un point, près de l'origine, le site où commence la réplication de l'ADN. À partir de l'origine de la réplication, l'ADN est répliqué dans les deux sens jusqu'à ce que les deux brins qui se répliquent se rencontrent et que la réplication de l'ADN soit terminée.

Croissance cellulaire. Pendant que l'ADN se réplique, la cellule bactérienne se développe également. Le chromosome est toujours attaché à la membrane plasmique de la cellule pendant qu'il se réplique. Cela signifie que la croissance de la cellule contribue également à séparer les chromosomes de l'ADN en cours de réplication vers les côtés opposés de la cellule, ce qui marque le début de la ségrégation du génome.

La ségrégation dugénome se produit continuellement au fur et à mesure que la cellule bactérienne grandit et que le chromosome d'ADN se réplique. Lorsque le chromosome a fini de se répliquer et a dépassé le point médian de la cellule en croissance, la cytokinèse commence. N'oublie pas que les bactéries possèdent également de petits paquets d'ADN flottant librement, appelés plasmides, qu'elles acquièrent dans leur environnement. Les plasmides sont également répliqués pendant la réplication de l'ADN, mais comme ils ne sont pas nécessaires à la fonction et à la survie de la cellule bactérienne, ils ne sont pas attachés à la membrane plasmique et ne sont pas distribués uniformément dans les cellules filles lorsque la cytokinèse commence. Cela signifie que les deux cellules filles peuvent présenter des variations dans les plasmides qu'elles possèdent, ce qui entraîne des variations dans la population.

Lacytokinèse chez les bactéries est presque un mélange de cytokinèse dans les cellules animales et végétales. La cytokinèse commence par la formation d'un anneau de protéine F tsZ. L'anneau protéique FtsZ joue le rôle de l'anneau contractile dans les cellules animales, en créant un sillon de clivage. FtsZ aide à recruter d'autres protéines qui commencent à synthétiser la nouvelle paroi cellulaire et la membrane plasmique. Au fur et à mesure que les matériaux de la paroi cellulaire et de la membrane plasmique s'accumulent, une structure appelée septum se forme. Ce septum a une fonction similaire à celle de la plaque cellulaire dans les cellules végétales pendant la cytokinèse. Le septum se transforme en une nouvelle paroi cellulaire et une nouvelle membrane plasmique, séparant ainsi les cellules filles et achevant la division cellulaire par fission binaire chez les bactéries.

Certaines bactéries appelées coccus (qui ont une forme sphérique) n'achèvent pas toujours la cytokinèse et peuvent rester attachées en formant des chaînes. La figure 2 montre la bactérie Staphylococcus aureus, certains individus ont subi la fission binaire et les deux cellules filles n'ont pas achevé leur séparation (le sillon de clivage est encore visible).

Figure 2 : Micrographie électronique à balayage de la bactérie Staphylococcus aureus résistante à la méthicilline (jaune) et d'un globule blanc humain mort (rouge). Source : NIH Image Gallery, domaine public, Flickr.com.

Exemples de fission binaire chez les bactéries

Combien de temps dure la fission binaire chez les bactéries ? Certaines bactéries peuvent se reproduire très rapidement, comme Escherichia coli. Dans des conditions de laboratoire, E. coli peut se reproduire toutes les 20 minutes. Bien sûr, les conditions de laboratoire sont considérées comme optimales pour la croissance des bactéries, car les milieux de culture disposent de toutes les ressources dont elles ont besoin. Ce temps (appelé temps de génération, taux de croissance ou temps de doublement) peut être différent dans l'environnement naturel où se trouvent les bactéries, qu'il s'agisse de bactéries vivant librement ou de celles qui sont associées à un hôte.

Dans les conditions naturelles, les ressources peuvent être rares, il y a de la compétition et de la prédation entre les individus, et les déchets présents dans une colonie limitent également la croissance bactérienne. Voyons quelques exemples de temps de doublement (le temps qu'il faut à une colonie bactérienne en culture pour doubler son nombre de cellules) pour des bactéries normalement inoffensives qui peuvent devenir pathogènes pour l'homme :

Tableau 1 : Exemples de temps de doublement pour des bactéries dans des conditions de laboratoire et dans leur environnement naturel.

Source : créé à partir d'informations provenant de Beth Gibson et al, 2018.

Comme on pouvait s'y attendre, les bactéries mettent plus de temps à se reproduire dans des conditions naturelles. Il est important de noter que le temps de reproduction dans une culture de laboratoire correspond probablement au temps que prend la fission binaire pour une espèce bactérienne, car elles se divisent continuellement dans ces conditions. En revanche, les bactéries ne se divisent pas continuellement dans leur environnement naturel, c'est pourquoi ces taux représentent surtout la fréquence de reproduction d'une bactérie.

Avantages de la fission binaire chez les bactéries

La fission binaire, en tant que type de reproduction asexuée, présente certains avantages, notamment :

1. Il ne nécessite pas l'investissement de ressources pour trouver un partenaire.

2. Augmentation rapide de la taille de la population en un temps relativement court. Le nombre d'individus qui peuvent se reproduire double le nombre de ceux qui se reproduiraient sexuellement (car chaque individu produira une progéniture, au lieu d'une paire d'individus).

3. Lestraits hautement adaptés à un environnement sont transmis sans modifications (à l'exclusion des mutations) aux clones.

4. Plus rapide et plus simple que la mitose. Comme décrit précédemment, par rapport à la mitose chez les eucaryotes multicellulaires, il n'y a pas de membrane du noyau à dissoudre et des structures complexes comme le fuseau mitotique ne sont pas nécessaires.

D'autre part, le principal inconvénient de la reproduction asexuée pour tout organisme est le manque de diversité génétique parmi les descendants . Cependant, comme les bactéries peuvent se diviser si rapidement dans certaines conditions, leur taux de mutation est plus élevé que celui des organismes multicellulaires, et les mutations sont la principale source de diversité génétique. En outre, les bactéries ont d'autres moyens de partager les informations génétiques entre elles.

Références

Lisa Urry et al, Biologie, 12ème édition, 2021.

Mary Ann Clark et al, Biologie 2e, version web d'Openstax, 2022.

Beth Gibson et al, The distribution of bacterial doubling times in the wild, The Royal Society Publishing, 2018. https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rspb.2018.0789

Liens d'images

Figure 1 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Binary_fission.png