La microbiologie est un domaine des sciences appliquées qui a pour objet les micro-organismes et les activités qui les caractérisent. Plus spécifiquement, la microbiologie se consacre à l'identification et à la caractérisation des micro-organismes ; à l'étude de leur origine et de leur évolution ; à définir leurs caractéristiques, les produits de leurs activités et leurs besoins ; et à comprendre les relations qu’ils entretiennent entre eux et avec leur milieu naturel ou artificiel.
Les micro-organismes appartenant à trois règnes présentant une structure cellulaire eucaryote ou procaryote, ou qui est eucaryote, et qui est caractérisé par l'unicellularité, une taille microscopique ou ultramicroscopique, un potentiel métabolique et de reproduction, l'omniprésence et l'abondanceLe Grand Dictionnaire terminologique, « microorganisme ».. Les micro-organismes sont répartis en cinq groupes : les algues, les protozoaires, les mycètes, les bactéries, les virus et les prions. Les bactéries sont classées parmi les monères. Les algues unicellulaires font partie des protistes procaryotes et eucaryotes. Les champignons unicellulaires, les lichens et les protozoaires sont des protistes eucaryotes. Les virus et les prions sont des acaryotes (soit sans organisation cellulaire).
On parle aussi maintenant de « microbiologie moléculaire », dans le domaine des biotechnologies notammentAccès vers un document de synthèse diffusé par ADIT (article du , « Les bioproduits pharmaceutiques », , dans « Les biotechnologies blanches, avancées et perspectives - Rencontre d'experts franco-allemande », Berlin, 29 septembre 2006)..
Historique vignette|Sculpture à Lille, en hommage à Louis Pasteur, au lieu précis où il a effectué ses recherches qui mèneront à la compréhension de la microbiologie actuelle.|alt=Sculpture à Lille, en hommage à Louis Pasteur. Dès l'Antiquité, on postulait l'existence d'agents infectieux transmissibles invisibles à l'œil nu. 1546 : Jérôme Fracastor impute la transmission des maladies à des germes vivants, qu'il appelait « seminaria ». 1665 : Robert Hooke montre les structures de reproduction des moisissures et est donc le premier à décrire des micro-organismes. 1668 : Francesco Redi (expérience de Redi sur l'origine des asticots) démontre le principe de la biogénèse qui remet en cause la théorie de la génération spontanée. 1677 : Découverte des bactéries par le microscopiste hollandais Antoine van Leeuwenhoek. 1828 : Christian Gottfried Ehrenberg utilise pour la première fois le terme bactérie. 1840 : Le pathologiste allemand Jacob Henle propose une « théorie des germes » pour les maladies. 1857-1876 : Louis Pasteur (doyen de la faculté des sciences de Lille) met en évidence les rôles des micro-organismes dans la fermentation lactique et alcoolique. Il développe les techniques de pasteurisation et de stérilisation lui permettant la mise en place de cultures pures de micro-organismes. La possibilité de culture a permis de démontrer que la génération spontanée était une aberration. 1877-1895 : Louis Pasteur démontre que des maladies sont la conséquence de la présence de ces micro-organismes. Premières recherches systématiques sur l'origine de certaines maladies, ainsi que la vaccination (connue depuis Edward Jenner pour la variole - maladie virale). 1873-1882 : Robert Koch met en évidence le bacille responsable de la tuberculose (Mycobacterium tuberculosis). Koch a établi les règles (toujours utilisées) qui permettent de démontrer rigoureusement qu'une bactérie donnée est à l'origine d'une infection. 1884 : Hans Christian Gram développe une technique de coloration qui est la plus utilisée dans l'étude et la classification des bactéries en deux grands groupes : les bactéries à Gram positif et celles à Gram négatif. 1912 : Paul Ehrlich découvre le premier traitement efficace (dérivé d'arsenic) contre la syphilis. C'est la première fois qu'on traite avec un agent chimiothérapeutique une maladie bactérienne. 1917 : Découverte des bactériophages par Frederick Twort et Félix d'Hérelle. 1928 : Frederick Griffith découvre la transformation bactérienne et établit les fondements de la génétique moléculaire. 1929 : Alexander Fleming découvre les propriétés antibactériennes de la pénicilline produite par Penicillum. L'humanité entre dans l'ère des antibiotiques. 1944 : Albert Schatz et Selman Waksman découvrent un autre antibiotique: la streptomycine qui sera bientôt utilisée contre la tuberculose. 1960 : François Jacob, David Perrin, Carmen Sanchez et Jacques Monod proposent le concept d'opéron pour le contrôle de l'expression des gènes bactériens. 1977 : Carl Woese étudie l'ARN ribosomique pour découvrir une troisième forme de vie, les Archaea, distincte génétiquement des bactéries et des eucaryotes. 1986 : En utilisant une enzyme de la bactérie Thermus aquaticus, Kary Mullis invente la technologie de PCR (Polymerase Chain Reaction). La technique de PCR est devenue l'outil de base de la biologie moléculaire. 1995 : Séquençage complet du premier génome bactérien (Haemophilus influenzae) par Craig Venter et ses collègues du TIGR. La microbiologie entre dans l'ère de la génomique. 2006-2020 : Emmanuelle Charpentier et Jennifer Doudna découvrent, dans des bactéries, le système CRISPR-Cas9.
Organismes étudiés Procaryotes Les procaryotes Prokaryota ou Prokarya), du grec pro (avant) et caryon (noyau), sont des organismes dont la cellule ne possède pas de noyau cellulaire ni d'autres organites, ils appartiennent à au moins deux taxons distincts : les archéobactéries ou archées sont un groupe particulier, car il ne comprend essentiellement que des espèces anaérobies (n'ayant pas besoin d'oxygène, voire souvent ne tolérant pas l'oxygène), vivant dans des environnements extrêmes : on parle d'organisme extrémophile. Les environnements extrêmes sont à la limite des conditions tolérées par les cellules biologiques (milieu salin très acide ou très alcalin, milieu à température proche de l'ébullition). Les archéobactéries ne sont pas que des extrémophiles, ce sont aussi des organismes plus communs qui vivent dans des conditions de vie classique comme les marais ou les rumens des ruminants. Il ne faut pas associer systématiquement archéobactéries à des organismes extrêmes même si on retrouve parmi eux la plupart des extrémophiles ; on retrouve les eubactéries dans notre quotidien : sol, nourriture Ce sont les bactéries les plus connues. Cependant certaines eubactéries sont aussi extrémophiles.
Ces micro-organismes ont des mécanismes pour résister à ces conditions.
Eucaryotes Les eucaryotes ont un système membranaire interne enfermant des organites (noyau, plaste, mitochondrie) ; ils présentent un cytosquelette interne (actine, tubuline) absent chez les procaryotes, qui leur confère une taille souvent plus importante que les procaryotes.
On estime que chaque groupe d'eucaryotes a eu un ancêtre parmi les procaryotes (archéobactéries ou eubactéries), et que les mitochondries (et peut-être aussi d'autres organites comme les chloroplastes) présents dans le cytoplasme des eucaryotes actuels ont aussi eu au moins un ancêtre procaryote distinct qui aurait colonisé cette ancienne bactérie pour vivre en symbiose (endosymbiose) avec elle et former tous les eucaryotes qui ne peuvent plus vivre sans elles.
En effet, on retrouve dans les mitochondries un cytosquelette interne spécifique, une structure membranaire externe complexe, un matériel génétique interne spécifique logé dans une zone plasmique appelée proto-noyau (dépourvu de membrane mais tout de même structurée), même si les mitochondries ne peuvent se multiplier seules sans le concours de la cellule hôte (les mitochondries auraient perdu leurs facultés de reproduction qui ne leur étaient plus nécessaires, puisque la cellule hôte leur fournit pratiquement tout le matériel nécessaire à leur croissance et leur division).
Algues Contrairement aux champignons et aux protozoaires, les algues ont des pigments chlorophylliens leur permettant de réaliser la photosynthèse.
Elles sont donc des organismes vivant immobile et autotrophes.
Les algues sont présentes dans le sol, les plantes, l'eau douce et l'eau de mer.
Le mot « algue » n'a pas de sens d'un point de vue phylogénétique, c'est-à-dire que l'ancêtre commun à toutes les algues est celui des eucaryotes.
Champignons Les champignons sont présents dans le sol, plantes, débris végétaux, lichen, parasites de l'homme, des animaux et des plantes.
Les champignons sont « absorbotrophes » : ils se nourrissent par absorption. Ils sécrètent des enzymes qui digèrent des polymères dans le milieu extérieur, ce mécanisme chimique transforme par exemple les glucides en monomères (petites molécules) qui sont ainsi absorbés.
Les champignons constituent un groupe biphylétique, car une partie d'entre eux, les eumycètes, appartiennent aux opistocontes, et une autre, les oomycètes, aux hétérocontes.
Taille des micro-organismes Comme signalé au début, les micro-organismes sont de très petite taille (d'où leur nom) : procaryotes (bactéries) : de l'ordre de (pour la largeur), pas de limite en longueur ; le pouvoir de résolution de l'œil humain est de ( soit ), ces micro-organismes sont donc tous invisibles à l'œil nu ; eucaryotes : très variable, de 2 à (pour la largeur), pas de limite en longueur ; certains eucaryotes sont visibles à l'œil nu (notamment les algues), d'autres ne sont visibles que sous forme d'agrégats (cas des champignons, dont les parois plasmiques émettent des filaments sur une grande longueur relativement à leur taille). Tous les eucaryotes ne s'agrègent pas ainsi (notamment les protozoaires, invisibles à l'œil nu).
Le rapport surface sur volume est directement influencé par la taille : si l'on considère une forme simple telle que la sphère, la surface est proportionnelle au carré de la taille ( avec le rayon de la sphère), alors que le volume est proportionnel au cube de la taille (), le rapport surface/volume est donc inversement proportionnel à ().
Ceci conditionne la vitesse à laquelle le micro-organisme se nourrit : la nourriture passe à travers la membrane plasmique, donc la vitesse d'absorption est proportionnelle à la surface, mais la quantité à nourrir est proportionnelle au volume. La vitesse à laquelle entrent et sortent les nutriments et les déchets est donc inversement proportionnelle à la taille.
Donc plus la bactérie est petite, plus elle va pouvoir se nourrir à grande vitesse. Elle compense sa petite taille par une multiplication à très grande vitesse (taux de croissance très rapide).
Culture des micro-organismes Richesse du milieu Les micro-organismes ont besoin : d'une source d'énergie ; pour les chimiotrophes, elle provient de la dégradation de composés chimiques (par exemple du glucose), pour les phototrophes, de la lumière ; d'une source de carbone ; pour les autotrophes, il suffit de atmosphérique (carbone minéral), pour les hétérotrophes, elle provient de molécules organiques (CH4, oses) ; de macroéléments (ainsi appelés en raison de leur concentration dans le milieu de culture) : C, H, O, N, S, Na, Mg, P, K. Les éléments carbone, azote, phosphore doivent être présents aux pour un milieu correct ; de microéléments : Cu, Co, Zn, Cl, Fe ; d'une source d'azote, d'origine minérale (sel d'ammonium) ; de facteurs de croissance pour les auxotrophes : vitamines, acides aminés, bases azotées. Les bactéries prototrophes sont celles qui n'ont pas besoin de facteur de croissance ;