Le métabolisme bactérien : catabolisme et anabolisme

Suivons une seule molécule de glucose dans une bactérie qui dispose d’oxygène. Le sucre traverse la membrane et entre dans la glycolyse, une chaîne de dix réactions du cytoplasme qui n’a besoin d’aucun oxygène. La glycolyse coupe le sucre à six carbones en deux molécules de pyruvate à trois carbones et laisse un bénéfice net de deux ATP et de deux NADH ; c’est la seule voie productrice d’énergie que partagent pratiquement toutes les bactéries. Chaque pyruvate est ensuite oxydé : il perd un carbone sous forme de dioxyde de carbone, remet une paire d’hydrogènes au NAD⁺, et le fragment à deux carbones restant s’attache à la coenzyme A pour former l’acétyl-CoA. L’acétyl-CoA entre dans le cycle de Krebs, aussi appelé cycle de l’acide citrique, un anneau de huit réactions qui arrache d’autres hydrogènes et libère deux molécules de dioxyde de carbone par tour, quatre par glucose ; chaque tour produit aussi un équivalent d’ATP, soit deux par glucose. Les hydrogènes recueillis sous forme de NADH et de FADH₂ sont alors présentés à la chaîne de transport d’électrons, un ensemble de complexes protéiques et de transporteurs mobiles — quinones, flavoprotéines, cytochromes — ancrés dans la membrane bactérienne. La chaîne fait passer les électrons d’un transporteur au suivant, et à chaque étape une petite quantité d’énergie sert à pomper des protons à travers la membrane. Les protons refluent ensuite par une enzyme rotative, l’ATP synthase, et ce flux entraîne l’addition d’un phosphate à l’ADP pour former de l’ATP : c’est la chimiosmose. L’oxygène attend au bout de la chaîne comme accepteur final d’électrons et d’hydrogène et se combine aux hydrogènes usés pour former de l’eau. La comptabilité est le point clé : la respiration peut produire environ trente à trente-deux ATP par glucose, contre deux pour la fermentation, et presque tout cet écart vient de l’étape d’oxygène finale.

La fermentation se produit lorsqu’une cellule doit se débarrasser d’hydrogène sans accepteur externe : elle utilise alors une molécule organique qu’elle vient de fabriquer. Le donneur le plus courant est le pyruvate, produit final de la glycolyse, si bien que c’est la réaction qui suit la glycolyse qui donne son nom à chaque organisme fermentant. Les bactéries lactiques, comme les espèces de Lactobacillus du yaourt et certains streptocoques, réduisent le pyruvate en acide lactique. Les levures et quelques bactéries transforment le pyruvate en éthanol et en dioxyde de carbone, ce qui fait lever la pâte à pain et fermenter la bière. Les entérobactéries, dont Escherichia coli, Salmonella et Klebsiella, réalisent une fermentation acide mixte, produisant plusieurs acides ainsi que du dioxyde de carbone et de l’hydrogène gazeux. Dans tous les cas, le but chimique est le même : régénérer le NAD⁺ à partir du NADH pour que la glycolyse continue, car la fermentation ne produit aucun ATP de plus que les deux molécules déjà gagnées par la glycolyse. Au laboratoire, c’est un cadeau pour l’identification. Un tube de bouillon au rouge de phénol contenant un sucre et une cloche de Durham renversée jaunit lorsque de l’acide est formé et retient une bulle lorsque du gaz est produit : quatre ou cinq sucres testés côte à côte donnent un profil — une empreinte biochimique — qui aide à nommer l’organisme. Ces mêmes produits comptent dans l’alimentation et dans le corps. L’acidité conserve le yaourt, le fromage, la choucroute et l’ensilage en rendant le milieu trop acide pour les organismes d’altération. Dans le côlon, la fermentation des fibres alimentaires par le microbiote produit des acides gras à chaîne courte, comme le butyrate, carburant préféré des cellules qui tapissent le côlon et utile au maintien de cette barrière. Lorsque les antibiotiques détruisent ces bactéries, ou lorsqu’un patient ne digère pas le lactose, la même chimie provoque ballonnements, crampes et diarrhée. Dans une plaie ou un abcès, les acides et les gaz produits par les anaérobies fermentants expliquent aussi l’odeur du pus.

Un test enzymatique fonctionne comme outil d’identification parce que l’enzyme est héréditaire et non apprise. Le gène qui code l’uréase, la catalase ou l’oxydase fait partie du chromosome de l’organisme et se transmet, inchangé en pratique, de génération en génération ; l’enzyme n’apparaît pas à cause du patient, de l’antibiotique ou de la température du service. Certaines enzymes sont constitutives, c’est-à-dire fabriquées en permanence, tandis que d’autres sont inductibles, donc produites seulement en présence de leur substrat — mais une enzyme inductible peut être provoquée au laboratoire en fournissant le substrat, si bien que le test reste utilisable. L’identification consiste donc à poser une série de questions et à comparer le profil des réponses à un tableau. Le test de la catalase dépose de l’eau oxygénée sur une colonie : l’effervescence signifie que l’organisme fabrique de la catalase et décompose le peroxyde en eau et en oxygène, réaction qui sépare les staphylocoques des streptocoques. Le test de l’oxydase demande si l’organisme possède le cytochrome oxydase dans sa chaîne de transport d’électrons, ce qui aide à distinguer Pseudomonas des entérobactéries. Un test rapide à l’uréase sur une biopsie gastrique donne une réponse sur Helicobacter pylori en moins d’une heure, bien avant la culture, et un Proteus uréase-positif dans un prélèvement urinaire explique à la fois l’urine alcaline et les calculs de struvite qui peuvent suivre, car l’ammoniaque produit élève le pH et précipite le phosphate d’ammonium et de magnésium. Les galeries commerciales comme API 20E étendent le même principe à vingt sucres et substrats ou plus, et les laboratoires modernes y ajoutent la spectrométrie de masse des protéines ribosomiques. La logique ne change jamais : une enzyme stable et héréditaire catalyse une réaction connue, et le produit de cette réaction est la signature de l’organisme.

Utiliser l’oxygène comme accepteur final est énergétiquement excellent mais chimiquement dangereux, car l’oxygène et ses formes partiellement réduites sont réactifs. Pendant la respiration normale, une petite fraction des électrons s’échappe et forme des radicaux superoxydes, de l’eau oxygénée et des radicaux hydroxyles, qui attaquent l’ADN, les protéines et les lipides membranaires. Les aérobies et les anaérobies facultatifs y survivent grâce à des enzymes de défense : la superoxyde dismutase transforme le superoxyde en eau oxygénée, puis la catalase ou la peroxydase transforme celle-ci en eau et en oxygène. Le test de la catalase exploite exactement cette défense. Un organisme qui manque de ces enzymes — un anaérobie obligatoire ou strict — ne tolère pas du tout l’oxygène et est tué par l’air ; c’est pourquoi les anaérobies obligatoires vivent dans le côlon, les plaies profondes, les abcès et le sol, et pourquoi un prélèvement destiné à une culture anaérobie doit être protégé de l’air et traité rapidement. D’autres groupes se situent entre les deux. Les anaérobies facultatifs, comme Escherichia coli, préfèrent l’oxygène mais peuvent fermenter lorsqu’il manque ; les microaérophiles ont besoin d’un peu d’oxygène mais sont abîmés par la concentration atmosphérique complète ; les anaérobies aérotolérants ignorent l’oxygène parce qu’ils ne l’utilisent jamais. La distinction n’est pas théorique. Les gaz d’une plaie, l’odeur d’un abcès, le siège d’une infection et le choix du prélèvement découlent tous du fait que l’organisme devant vous peut utiliser l’oxygène ou qu’il en est empoisonné ; une infirmière qui le comprend ne laissera pas traîner sur un plan de travail un prélèvement destiné à une culture anaérobie.