Communication scientifique
Session of 9 novembre 2004

Présentation : Comment les bactéries résistent aux antibiotiques : une première forme d’intelligence collective ?

MOTS-CLÉS : anti-infectieux. plasmides. réponse sos (génétique).. résistance bactérienne aux médicaments
How bacteria resist antibiotics : a primary form of collective intelligence ?
KEY-WORDS : anti-infective agents. drug resistance, bacterial. plasmids. sos respons (genetics).

Jean Claude Péchère *

Résumé

Les bactéries produisent des enzymes inhibiteurs, ( β -lactamases..), empêchent l’attachement aux molécules cibles par altération de leur structure staphylocoques dorés résistants à la méthicilline), pompent les antibiotiques au dehors de la cellule (pseudomonas multiré- sistants) ou limitent la perméabilité de la membrane externe (chez les Gram négatif). Génétiquement, les bactéries procèdent par mutation ou par échanges (transformation, transduction ou conjugaison) d’éléments génétiques mobiles (intégrons, transposons, phages tempérés, plasmides) avec les risques épidémiques que cela suppose. Des travaux récents montrent l’existence de phéromones qui favorisent les échanges génétiques. La réponse SOS, activée par les quinolones et les pénicillines augmentent d’environ 10.000 fois le taux de mutation et libèrent les éléments génétiques mobiles. Cela multiplie les chances de sélectionner une résistance. Ces pertinents systèmes non darwiniens démontrent l’hypothèse d’une forme d’intelligence collective qui serait apparue dès les premières formes de vie cellulaire, il y a 3,8 milliards d’années.

Summary

Bacteria produce inhibitory enzymes ( β -lactamases, etc), block antibiotic attachment to target molecules (MRSA, etc.), extrude antibiotics from the cell by active efflux systems (multidrug resistant pseudomonas, etc) or limit antibiotic penetration through the outer membrane in Gram negatives. Genetically, resistance occurs after mutation or horizontal transfers (transformation, transduction, conjugation) of mobile genetic elements (integrons, transposons, phages, plasmids), associated with a risk of epidemic spread. Recent data stress the importance pheromones for facilitating inter-bacterial genetic exchanges. Activated by quinolones and penicillins the SOS response augments the mutation rate (by about 10,000 fold) and liberates mobile genetic elements offering more opportunities to select resistance. These highly pertinent non-darwinian systems raise the hypothesis of a primary form of intelligence developed already 3.8 billions years ago.

Séance thématique :« Du bon usage des antibiotiques » « Correct antibiotic usage »

Présentation

Jean-Claude PECHÈRE *

Comment les bactéries résistent aux antibiotiques :

une première forme d’intelligence collective ?

How bacteria resist antibiotics :

a primary form of collective intelligence ?

INTRODUCTION

Chaque fois qu’un antibiotique est découvert, les bactéries trouvent un moyen de s’y opposer. Cependant, la source des nouveaux antibactériens se tarit. Pratiquement aucune innovation significative n’a émergé depuis plus de 10 ans. Nous faisons donc face à une véritable crise, où certaines infections graves apparaissent « résistantes à tout ».

Cet article vise à montrer comment les bactéries évitent l’effet de ces drogues létales. Trois aspects de la résistance seront brièvement passés en revue : les phénotypes, la génétique, la mise en place des mécanismes. Une tentative d’interprétation sera enfin présentée qui soulève l’hypothèse d’une forme d’intelligence chez les bactéries.

LES PHÉNOTYPES DE RÉSISTANCE

Il faut au moins deux conditions pour qu’un antibiotique agisse : la présence d’une cible moléculaire dont l’inhibition produise un effet antibactérien significatif, et un accès à cette cible lui permettant de développer cette action à des concentrations que les malades puissent tolérer. Les bactéries ont plusieurs moyens de s’y opposer.

La production d’enzymes capable d’inactiver des antibiotiques est une parade très répandue, illustrée par des centaines de β-lactamases [1] qui toutes coupent la liaison C-N dans le cycle β-lactame. Chez les Gram positif, seule celle des staphylocoques a un véritable impact clinique, mais chez les Gram négatif il en existe plus de 300 phénotypes différentes. D’autres enzymes de résistance ajoutent des groupes
phosphorylés, adénylés ou acétylés pour inactiver des aminosides [2]. De moindre impact clinique sont la chloramphenicol-acétylase, la streptogramine acétyltransfé- rase ou l’oxydation de la tétracycline.

Limiter l’accès à la cible représente une deuxième stratégie. Chez les Gram négatif, membrane externe très hydrophobe contient des porines, canaux protéiniques remplis d’eau, pour laisser entrer les antibiotiques, plutôt hydrophiles dans l’ensemble. Les bactéries savent en modifier le nombre ou la perméabilité. Des exemples typiques sont l’expression déficiente de la porine OprD associée à la résistance aux carbapénèmes chez Pseudomonas aeruginosa [3] ou celle des porines OmpF et

OmpC qui affecte l’activité des β-lactamines chez

Enterobacter cloacae [4]. C’est aussi l’imperméabilité de la membrane externe qui rend compte de l’inactivité de la vancomycine chez les Gram négatif, une molécule trop grosse pour emprunter une porine. Pour empêcher d’atteindre la cible une méthode alternative consiste à pomper les antibiotiques au dehors de la cellule bactérienne au moyen d’un système d’efflux [5, 6]. L’impact clinique des efflux est surtout marqué chez les Gram négatif à cause de l’augmentation des concentrations minimales inhibitrices qu’ils causent et de la création de phénotypes de résistance multiple puisqu’une même pompe peut affecter l’activité d’ antibiotiques appartenant à des familles structurales différentes.

Au-delà de l’imperméabilité et des pompes, les bactéries peuvent encore se créer un environnement relativement imperméable aux antibiotiques, un biofilm par exemple, sans devenir résistantes elles-mêmes [7] La troisième stratégie consiste à changer la cible . La résistance des pneumocoques à la pénicilline résulte d’une altération d’une ou plusieurs protéines liant la pénicilline (PLP) qui ne reconnaissent plus les β-lactamines comme un substrat [8]. La résistance à la méthicilline chez les staphylocoques provient d’une PLP anormale (PLP2a), qui fixe l’antibiotique sans être inhibé par lui [9]. Les résistances à la vancomycine des entérocoques et aujourd’hui chez Staphylococcus aureus se résument à des courts circuits métaboliques au cours de réactions complexes [10].

L’altération de la cible des macrolides, de la lincosamine et des streptogramines résulte d’une méthylation d’un groupe adényle de la fraction 23S du ribosome où normalement ces antibiotiques s’attachent. D’autres altérations de cible sont responsables de résistance à la rifampicine (ARN polymérase), aux sulfamides et à la triméthoprime (dihydroptéroate synthétase), aux quinolones (topoisomérases) ou aux aminosides (cible ribosomale).

Très souvent, la bactérie exposée à un antibiotique a plusieurs options. Elle choisit généralement la solution la plus efficace et au moindre coût énergétique. En cas de difficultés elle sait combiner les mécanismes. Ainsi dans la résistance de Pseudomonas aeruginosa ou de Enterobacter cloacae aux carbapénèmes, la diminution de perméabilité s’associe à l’inactivation par des β-lactamases insuffisamment actives par elles même [3, 4].

Dans une population bactérienne, on trouve pratiquement toujours des individus qui survivent aux agressions antibiotiques, alors même qu’ils demeurent sensibles à
ceux-ci. Les persistants se caractérisent par un rythme ralenti de croissance avant l’exposition aux antibiotiques. La persistance bactérienne est vue aujourd’hui comme une adaptation à des environnements changeants qui permet en particulier la survie en présence d’antibiotiques bactéricides [11].

LA GÉNÉTIQUE DE LA RÉSISTANCE.

Mutations.

De nombreuses résistances acquises sont dues à la mutation de gènes situés dans le chromosome ou dans des éléments génétiques mobiles. En général, la mutation affecte des gènes de structure codant pour la protéine cible, comme ceux d’une topoisomérase (quinolone) ou de l’ARN polymérase (rifampicine). L’exemple le plus emblématique est représenté par les dizaines de β-lactamases plasmidiques de type TEM ou SHV qui par mutations successives sont passées de l’activité limitée d’une pénicillinase à des spectres englobant la plupart des pénicillines et céphalosporines [1]. Alternativement la mutation touche des gènes régulateurs, les exemples étant ici la dérépression des β-lactamases inductibles chez les bacilles Gram négatif tels que Enterobacter et Serratia ou l’activation du régulateur mexT dans un système d’efflux de

Pseudomonas aeruginosa [12].

Cependant, la mutation a un coût élevé pour la bactérie. Il faut en effet un grand nombre de mutants, générés au hasard des erreurs dans la production de l’ADN, pour qu’apparaissent ceux qui par chance résistent. Beaucoup de mutations ne sont pas viables. Une fois sélectionnés au cours d’une exposition aux antibiotiques, les mutants résistants croissent souvent moins vite même si, advenant une deuxième mutation favorable, un taux de multiplication normal peut être restauré.

Eléments génétiques mobiles.

L’analyse des génomes entiers révèle l’importance imprévue de l’ADN étranger chez pratiquement toutes les bactéries pathogènes. Par exemple, plus de 25 % de l’ADN chromosomique d’un Enterococcus faecalis consiste en séquences probablement mobiles d’origine extérieure [13]. Les éléments génétiques mobiles contiennent souvent des gènes de résistance [14]. Ils comprennent les plasmides (morceaux d’ADN circulaires double-brin distincts du chromosome et capables de réplication autonome), les transposons (morceaux d’ADN capables de se déplacer — « gènes sauteurs » — et de s’insérer dans un chromosome ou un plasmide grâce à des séquence d’insertion placées aux deux extrémités) et les intégrons (éléments plus petits qui capturent facilement des gènes étrangers dans des sites d’expression particulièrement efficaces). Ces éléments mobiles passent aisément d’une bactérie à l’autre par transduction (par l’intermédiaire d’un bactériophage), conjugaison (deux bactéries s’attachent au moyen d’un tube protéique, le pilus sexuel) ou
transformation (entrée d’ADN nu suite à un contact direct entre celui-ci et la bactérie réceptrice). L’acquisition de résistance par transduction , semble rare dans la nature, même si elle rend compte de la diffusion d’un gène de pénicillinase chez Staphylococcus aureus . Le transfert d’ADN par conjugaison est en revanche beaucoup plus préoccupant à cause des épidémies de résistance qu’elle occasionne. Elle rend possible des échanges entre espèces bactériennes relativement éloignées (sauf exception pas entre Gram négatif et positif) voire entre bactéries et des levures [15].

Même des gros plasmides portant plusieurs gènes de résistance, et a fortiori des transposons, passent. La transformation est un mécanisme important chez les bactéries compétentes telles que le pneumocoque ou le méningocoque, en particulier pour acquérir des morceaux de PLP provenant de germes commensaux naturellement résistants à la pénicilline.

Les transferts horizontaux s’avèrent beaucoup plus efficaces que les mutations dans l’adaptation bactérienne aux conditions hostiles. Au prix d’un coût énergétique faible ou quasi nul, un savoir-faire compliqué « clés en mains », comme la production d’un nouvel enzyme peut s’acquérir en un instant.

MISE EN PLACE DES MÉCANISMES DE RÉSISTANCE.

La mise en place d’une résistance bactérienne comprend trois niveaux de complexité, allant de l’individu à la population entière. Le premier concerne des individus isolés : les mutations frappent au hasard, suivies de la survie des plus aptes quand vient l’antibiotique. Au-dessus, les échanges génétiques impliquent plusieurs individus. Ici les variations dans la population ne se déterminent plus tout à fait au hasard, puisque l’antibiotique peut sélectionner et concentrer les gènes d’intérêt, cet donc favoriser leur diffusion. On commence à sortir de l’adaptation de type darwinien qui postule la variation génétique aléatoire avant la sélection. Au sommet de la complexité on trouve une véritable dimension populationnelle, avec son organisation propre. À titre de premier exemple, la compétence du pneumocoque à la transformation semble être facilitée par des petites molécules qui s’apparentent aux phéromones des insectes et des plantes [16]. Des phéromones similaires assistent aussi le transfert de plasmides par conjugaison chez Enterococus faecalis [17]. Dans les deux cas, il existe bien une gouvernance des échanges génétiques avec une interférence possible de l’antibiotique dans cette régulation.

Le deuxième exemple est encore plus frappant. En présence d’un stress (chaleur, rayons ultraviolets…), les bactéries cherchent à protéger leur ADN en le couvrant de protéines particulières. Cette réponse dite SOS démarre quand un ADN simple brin apparaît dans le cytoplasme. Elle entraîne de sérieuses conséquences sur la résistance. La première : elle accroît considérablement (environ de 10.000 fois) le taux de mutation. La seconde : elle provoque la dissémination des éléments génétiques mobiles [18]. La troisième : elle stoppe net la multiplication bactérienne ce qui cause une forme de résistance phénotypique [11] (les antibiotiques n’agissent pas ou peu
quand le métabolisme s’arrête). Or certains antibiotiques déclenchent le SOS. C’est sans surprise quand il s’agit des quinolones, qui inhibent des topoisomérases, enzymes-clé de la réplication de l’ADN. C’est plus surprenant pour β-lactamines [19], qui agissent sur la paroi bactérienne sans même entrer dans le cytoplasme.

Ainsi, quinolones et pénicillines lancent une réponse globale, communautaire, pour protéger la population d’un risque mortel, réponse qui vient en addition de la sélection bien connue des clônes résistants. On sort complètement de la logique darwinienne car ici le même agent crée la dynamique des changements et sélectionne.

CONCLUSION : UNE FORME D’INTELLIGENCE COLLECTIVE ?

Considérant les nombreuses voies de communication inter bactériennes (quorum sensing, signaux chimiotactiques, échanges génétiques) et les capacités qui en résultent, la possibilité d’une intelligence sociale bactérienne a été récemment évoquée [20]. La diversité et la pertinence des réponses en présence d’un antibiotique potentiellement létal semble aller dans le même sens. L’intelligence recouvre une multitude d’aptitudes, qui toutes convergent vers un comportement en général bénéfique. Elle implique un élément d’innovation, à l’encontre d’une simple impulsion instinctive. Elle suppose aussi la formation de liens inhabituels entre des idées, des évènements ou des objets. On retrouve ces ingrédients dans la dynamique de la résistance.

Au cours des 50 dernières années de très nombreux antibiotiques ont été créés, incluant des molécules totalement nouvelles qui n’existent pas dans la nature (quinolones, trimethoprime). Dans tous les cas, sans exception, les bactéries ont développé des mécanismes efficaces pour s’y opposer, faisant preuve d’une capacité d’adaptation bénéfique à des situations inattendues et non programmées. Les stratégies adoptées mettent ensemble des systèmes normalement non liés, comme taux de mutation et libération de transposons, ou inhibition d’une PLP et protection de l’ADN. L’hypothèse d’une forme d’intelligence collective mérite d’être considérée.

En supposant son existence, cette intelligence sociale élémentaire pourrait être apparue dès les premiers temps de la vie, il y a 3 milliards et plusieurs centaines de millions d’années. Les plus anciens fossiles connus sont des stromatolites, dont l’origine bactérienne ne fait pas de doute. Leur structure striée bien visible suggère déjà une organisation communautaire, confirmée par les stromatolites qui survivent de nos jours. Une forme d’intelligence qui serait perceptible dès le début de la vie nous conduit à postuler son caractère indispensable dans tous les processus vivants, améliorée progressivement jusqu’à nous par la sélection continue qu’impose l’évolution.

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* Membre correspondant de l’Académie nationale de médecine. Universities of Geneva and Marakech, Président, International Society of Chemotherapy. 19 avenue Krieg 1208 Genève, Suisse. Courriel jcpechere@yahoo.com Tirés-à-part : Professeur Jean-Claude PÉCHÈRE, même adresse Article reçu le 20 octobre 2004, accepté le 25 octobre 2004

Bull. Acad. Natle Méd., 2004, 188, no 8, 1249-1256, séance du 9 novembre 2004