Micro-organismes et cultures : cours de Seconde, option biotechnologies

Dans une goutte d'eau de mare, une cuillère de terre ou une cuillère de yaourt, des êtres vivants se comptent par millions sans que tu les distingues. Ce sont les micro-organismes. Dans l'option biotechnologies, tu vas apprendre à les observer, à les faire se multiplier de façon contrôlée, à les compter et à les reconnaître.

Ce chapitre vient après la sécurité biologique au laboratoire : tu connais donc déjà l'idée de travailler proprement et prudemment. Il prépare les chapitres suivants, sur les biotechnologies et la santé, puis sur les biotechnologies et l'environnement.

Voici le plan :

1. définir ce qu'est un micro-organisme ;
2. découvrir les grands groupes ;
3. suivre l'histoire de leur découverte ;
4. comprendre comment on les cultive ;
5. apprendre à les dénombrer ;
6. apprendre à les identifier ;
7. voir pourquoi on les utilise, y compris dans des projets créatifs comme le bio-art.

Le mot lui-même raconte cette idée. Il vient du grec : mikrós veut dire « petit » et órganon veut dire « organe » ³. Son synonyme « microbe » unit « petit » à bíos, la vie ³. Au sens propre, un microbe est donc une « petite vie », c'est-à-dire un petit être vivant.

La définition repose sur deux critères : une seule cellule, et une taille telle qu'il faut un microscope pour voir un individu isolé. Attention : quand des millions d'individus se multiplient côte à côte, le groupe peut se voir à l'œil nu, alors que chaque individu reste invisible. Retiens ce détail pour la partie sur les cultures.

Les micro-organismes ne sont pas une simple curiosité. Si on les additionne, ils forment l'essentiel du monde vivant ³. Ils interviennent dans les cycles du carbone et de l'azote, et leur place est capitale dans presque tous les écosystèmes ³.

Les trois grands domaines du vivant sont tous représentés chez les micro-organismes ³. On y trouve :

• les bactéries ;
• les archées ;
• les eucaryotes unicellulaires, c'est-à-dire les protistes et les champignons unicellulaires (levures par exemple) ³.

La grande différence entre ces groupes tient à l'organisation de la cellule. Les eucaryotes possèdent un système de membranes internes qui enferme des organites : noyau, plaste, mitochondrie ⁴. Ils ont aussi un cytosquelette interne, absent chez les procaryotes, ce qui leur donne souvent une taille plus grande ⁴. Les bactéries et les archées sont des procaryotes : leur cellule est plus simple, sans ces compartiments.

L'histoire de la microbiologie suit celle des instruments et des méthodes. Voici les repères à connaître.

Les premiers regards. En 1665, Robert Hooke montre des structures de reproduction de moisissures ; il est donc le premier à décrire des micro-organismes ⁴. Au XVIIe siècle encore, le drapier hollandais Antoine van Leeuwenhoek observe levures, microbes et globules du sang avec un microscope de sa conception, ce qui ouvre la voie à la microbiologie et à la bactériologie ³.

Pasteur et les cultures pures. Entre 1857 et 1876, Louis Pasteur met en évidence le rôle des micro-organismes dans les fermentations lactique et alcoolique ⁴. Il met au point la pasteurisation et la stérilisation, ce qui permet d'obtenir des cultures pures de micro-organismes ⁴. Grâce à la culture, on a pu démontrer que la génération spontanée était une erreur ⁴. De 1877 à 1895, il montre que des maladies résultent de la présence de ces micro-organismes ⁴.

Les microbes pathogènes. En 1867, Joseph Lister bouleverse la chirurgie grâce à l'antisepsie ³. Puis les agents de maladies sont identifiés en série : le staphylocoque par Pasteur en 1878, la tuberculose par Koch en 1882, la peste par Yersin en 1894 ³.

Les mots. En 1872, Ferdinand Julius Cohn distingue les bactéries des levures, des moisissures et d'autres groupes ³. Le terme « micro-organisme », moins chargé négativement que « microbe », est forgé en 1876 par Henri de Parville ³.

Cultiver un micro-organisme, c'est lui fournir des conditions qui lui permettent de se multiplier, pour disposer d'un grand nombre d'individus à étudier ou à utiliser. Cette activité est une compétence centrale de l'option : elle est pratiquée plusieurs fois, dans des situations différentes, pour que tu l'acquières vraiment ².

Deux exigences dominent.

Première exigence : l'asepsie. La culture de micro-organismes au laboratoire impose de travailler en milieu aseptique ². Concrètement, on empêche tout micro-organisme étranger d'entrer dans la culture, et on évite que la culture ne s'échappe. C'est l'héritage direct des travaux de Pasteur sur la stérilisation et les cultures pures ⁴. Les règles apprises en sécurité biologique prennent ici tout leur sens.

Seconde exigence : un milieu adapté. Chaque micro-organisme a ses besoins nutritionnels, et on choisit un milieu de culture adapté à celui qu'on veut faire pousser ². Au laboratoire, on prépare aussi des solutions utilisables, ce qui fait partie des activités pratiques du programme ².

Savoir combien de micro-organismes contient un produit biologique est une question fréquente : un aliment, une eau, un échantillon de sol. Le dénombrement figure parmi les activités pratiques que tu réaliseras ².

Une technique consiste à filtrer l'échantillon pour retenir les micro-organismes, puis à déposer le filtre sur un milieu de culture solide : les germes s'y multiplient, ce qui permet de les compter et de les identifier ⁴.

Le principe de raisonnement est le suivant. Chaque micro-organisme retenu, en se multipliant sur le milieu solide, donne un amas visible : une colonie. Si les colonies sont bien séparées, on suppose qu'une colonie provient d'un seul individu de départ ; on exprime alors le résultat en unités formant colonie (UFC). Le nombre de colonies comptées, ramené au volume réellement déposé, donne la concentration.

Après avoir cultivé, on veut souvent savoir qui est là. L'identification s'appuie sur la comparaison de caractères observés avec des données de référence.

On compare des caractères morphologiques (la forme et l'aspect au microscope), des caractères culturaux (la manière de pousser sur un milieu) et des caractères métaboliques (ce que le micro-organisme fait de ce qu'il consomme). Ces comparaisons se font avec des micro-organismes déjà référencés dans des tableaux d'identification ². Dès la Seconde, tu commences par observer la diversité du vivant à l'échelle microscopique ².

Cultiver et connaître les micro-organismes ouvre de nombreux usages. Le programme de l'option évoque notamment l'étude de la pollution, la production d'un objet ou d'une œuvre grâce au vivant (le bio-art) et la culture de micro-organismes dans des contextes variés, jusqu'à la participation à des concours ¹².

Sur le plan scientifique, les micro-organismes servent à comprendre les cycles de la matière, comme ceux du carbone et de l'azote ³, et à étudier les maladies : on sait depuis le XIXe siècle que beaucoup d'entre elles viennent de micro-organismes précis ³⁴. Ces thèmes seront développés dans les chapitres sur la santé et sur l'environnement.