Modèle structural d'un bactériophage T4, à résolution atomique.|vignette|300x300px
Les bactériophages, ou phages (mot formé des éléments bactério-, « bactérie », et -phage, « qui mange »), ou, plus rarement, virus bactériens, sont des virus qui n'infectent que des bactéries. Ils sont présents dans toute la biosphère. Ils sont particulièrement abondants dans les milieux riches en bactéries, et donc notamment dans les excréments, le sol et les eaux d'égout. Dans un millilitre d'eau de mer, on compte près de 50 millions de bactériophages, accès libre.. Le support de l'information génétique (génome) des bactériophages peut être un ADN ou un ARN. Parce que leur génome est entouré d’une capside, les phages font partie des virus dits complexes.
Histoire L'activité des bactériophages est découverte en 1915 par le biologiste franco-canadien Félix D'Hérelle qui remarque des “trous” dans les cultures de bactéries qu’il développe pour lutter contre les essaims de sauterelles en Amérique centrale. Il n’en comprend le sens qu'en 1917, lorsqu'il fait la même observation dans des selles de malades atteints de dysenterie bacillaire (maladie du côlon). Il isole alors les premiers phages, puis développe les premières applications phagothérapeutiques.
En 1915, Frederick W. Twort, à Londres, remarque aussi que des colonies de microcoques prennent parfois un aspect vitreux, dû à la destruction des cellules bactériennes, et que cette caractéristique est transmissible à des colonies normales par simple contact.
Les phages sont des outils fondamentaux de recherche et d'étude en génétique moléculaire. Ils servent notamment de vecteurs de clonage et de transfert de gènes (on parle aussi de transduction). Dans les années 1940-1960, les travaux effectués sur les bactériophages ont permis de nombreuses avancées dans le domaine de la biologie moléculaire (avancées portées par Max Delbrück, dans le cadre du « groupe phage ») et ont permis de découvrir que les acides nucléiques constituent le support de l'information génétique (expérience de Hershey-Chase, en 1952.).
Les bactériophages sont utilisés en France à des fins thérapeutiques de 1920 à 1977 et le sont toujours dans certains pays de l'ex-bloc de l'Est, où l'on peut acheter des préparations bactériophagiques en pharmacie sans ordonnance. Ils connaissent un retour en grâce depuis les années 2000, ce dont témoignent des publications désormais nombreuses et la création du Réseau Bactériophage France en 2016.
Caractéristiques vignette|400px|Structure d'un bactériophage :1. tête ;2. queue ;3. acide nucléique ;4. capside ;5. col ;6. gaine contractile ;7. fibres caudales ;8. spicules ;9. plaque terminale.
Comme les virus qui infectent les eucaryotes, un phage possède du matériel génétique encapsidé dans une structure protéique complexe constituée le plus souvent d'une tête et d'une queue. . Les bactériophages ayant un génome de plus de sont appelés « phages jumbo ».
On caractérise les phages par la présence de . L'infection d'une cellule bactérienne par un seul phage peut provoquer sa lyse au bout d'une vingtaine de minutes avec libération de quelques dizaines voire centaines de particules phagiques. En laboratoire, chaque particule ainsi libérée va infecter une nouvelle bactérie et recommencer le cycle lytique. Conséquence de ces lyses microscopiques en cascade, des se forment dans le tapis bactérien à la surface des géloses, permettant la lecture à l'œil nu des résultats de test. La taille et l'aspect de ces plages de lyse constituent un phénotype contribuant à caractériser les phages.
Reproduction : cycles lytique et lysogénique
Les bactériophages, incapables de se reproduire par leurs propres moyens, injectent leur matériel génétique dans des bactéries hôtes. Grâce aux enzymes et aux ribosomes de l'hôte (et à certaines protéines virales selon les cas), le génome viral peut être répliqué et traduit pour former de nombreuses copies du virus qui sont libérés avec la lyse de la bactérie-hôte : on parle de cycle lytique ou cycle de production.
Certains bactériophages se comportent autrement, leur matériel génétique est répliqué et s'intègre au chromosome de la bactérie (ou existe sous forme de plasmide), mais n'est pas exprimé pour former des virions. Le virus est alors désigné sous le terme de prophage, lequel est transmis à la descendance de la bactérie infectée (lignée lysogénique) et on parle de lysogénie ou de cycle lysogénique. En réponse à une induction ( stress de la bactérie), l'infection lysogénique bascule vers un cycle lytique.
D'une espèce à l'autre, le cycle de réplication des phages dans la cellule peut suivre plusieurs schémas : certains phages sont dits « virulents », ils sont strictement lytiques. Le microbiologiste Mark Müller a dit : ; certains bactériophages appelés « phages tempérés » peuvent générer des infections lytiques ou lysogéniques. Parfois, les prophages apportent quelque chose à la relation bactérie-phage quand la cellule est en dormance, en ajoutant de nouvelles fonctions au génome de la bactérie, un phénomène appelé « conversion lysogène ». Un exemple connu est l'inoffensive bactérie Vibrio qui, quand elle est lysogénisée par le phage CTX., cause le choléra ; certains phages ne provoquent pas la lyse de la cellule infectée (infections chroniques), mais bourgeonnent à la membrane bactérienne, sans la rompre (infection chronique).C'est le cas des phages filamenteux comme M13 ou f1 d'Escherichia coli. La cellule infectée devient alors une usine à produire du phage de manière continue.
Durée et conditions de persistance des phages dans l'eau Les phages, comme d'autres virus, sont vulnérables aux UV solaires, connus pour contribuer à détruire les virus, au moins dans le haut de la colonne d'eau, et plus ou moins profondément selon la turbidité de l'eau.
Dans les eaux plus eutrophes voire dystrophes, une autre cause de destruction virale (encore mal comprise) semble être la présence de molécules antivirales dissoutes, thermolabiles et de haut poids moléculaire (plus de 30 kDa), de type protéases ou autres enzymes bactériennes probablement qui, lors d'expériences conduites par Noble & al. en 1997, semblent responsables d'environ 1/5 de la désintégration maximale des virus ; en complément du rayonnement solaire qui en élimine au maximum de 1/3 à 2/3 (quand il s'agit de virus non-natifs) et de 1/4 à 1/3 quand il s'agit de virus natifs) suggérant des phénomènes de co-évolution adaptation évolutive entre bactéries et virus, et en fonction du taux d'UV solaires pénétrant la colonne d'eau.
Classification L’organisme responsable de la nomenclature et de la taxonomie des virus s’appelle l’ (ICTV). On dénombre une vingtaine de morphologies différentes chez les virus bactériens actuellement reconnus par l'ICTV. En 2000, plus de différents avaient été observés et décrits. Plus de 95 % d'entre eux possédaient une queue impliquée dans l'entrée de l'ADN du phage dans la cellule bactérienne (famille des Caudovirales). On distingue trois morphologies de queues différentes : les Siphoviridae, caractérisés par une longue queue non contractile, forment la plus grande famille (60 % des virus caudés). Exemple : T5 ; les Myoviridae ont de longues queues contractiles, composées d'un tube extérieur qui se contracte autour du tube central rigide lorsque le virus se trouve à la surface de sa bactérie hôte. Le tube rigide perfore alors la paroi bactérienne et crée un passage pour l'ADN phagique. Exemple : T4 ; les Podoviridae ont de petites queues non contractiles, ils intègrent dans leur capside des protéines qui servent à empaqueter l'ADN dans la capside lors de la formation du virion et qui sont éjectées dans la paroi de l'hôte avant l'éjection de l'ADN. Exemples : T7, P22. Depuis 2022, cette subdivision morphologique n'est plus à la base de la classification.
Principaux modèles d'étude phage λ - lysogène phage T4 (169 à 170 kilopaires de bases, 200 nm de long) phage T5 phage T7 phage R17 - Le prototype des phages à ARN. L'un des virus les plus simples connus. phage M13 - phage ϕX174 - phage à ADN simple brin, le premier organisme dont le génome ait été séquencé.
Rôles dans l'évolution des bactéries Comme les phages peuvent porter dans leur génome des gènes accessoires à leur cycle de vie, ils participent aux transferts horizontaux de gènes entre populations bactériennes. C'est la transduction. Lorsque ces gènes accessoires codent des facteurs de virulence, la bactérie infectée voit son pouvoir pathogène augmenté – c’est le phénomène de « conversion lysogénique ».
Un exemple bien connu est celui des gènes des toxines Stx des Escherichia coli entérohémorragiques (EHEC). Ces gènes stx sont localisés dans des séquences de bactériophages lambdoïdes intégrés dans le chromosome. Les EHEC auraient donc émergé par conversion lysogénique. On connaît de nombreux autres exemples de ce type, comme la toxine cholérique de Vibrio cholerae qui est portée par le phage CTX.
Les bactériophages lysogènes sont souvent intégrés dans le chromosome au niveau de locus codant des ARN de transfert (ARNt). Par exemple, le phage PhiR73 de Escherichia coli est inséré au niveau du locus selC. L'acquisition de gènes étrangers par transfert horizontal, grâce à des bactériophages s’intégrant au niveau de tels « points chauds » est plausible, puisque les séquences codant les ARNt sont hautement conservées entre les différentes espèces bactériennes. Enfin, la persistance des gènes de virulence dans les génomes phagiques suggère qu’ils confèrent un avantage sélectif, peut-être dû à la plus grande multiplication et diffusion de la bactérie hôte.
Biotechnologies Biologie moléculaire au vignette|upright|Le phage S-PM2.
Dans les années 1960, les recherches menées sur les interactions hôte–phage par les biologistes américains Max Delbrück, Alfred Hershey et Salvador Luria valurent à ces chercheurs le prix Nobel de médecine-physiologie en 1969.
Les phages ont permis différentes découvertes : en 1961, Francis Crick, Sydney Brenner, Leslie Barnett et R.J. Watts-Tobin utilisent différentes souches dE. coli et du phage T4 pour démontrer que l'ADN porte l'information génétique sous forme de codons de trois nucléotides non-chevauchant (expérience de Crick, Brenner et al.). ; l'expérience de Hershey et Chase a permis de confirmer la fonction de l'ADN en tant que support de l'information génétique. Hershey et Chase incorporèrent du phosphore 32 (P32) dans l'ADN d'une culture de phage et du soufre 35 (S35) dans les protéines d'une autre culture de ce même phage. Ces deux isotopes sont radioactifs, ce qui permet de les utiliser comme traceurs. Puis, ils utilisèrent chacune de ces cultures de phage indépendamment pour infecter E. Coli à raison d'un nombre élevé de particules virales par cellule bactérienne. Après un temps suffisant pour que l'infection ait eu lieu, ils détachèrent les enveloppes vides des phages des cellules bactériennes par agitation mécanique. Par centrifugation, ils séparèrent les cellules bactériennes des enveloppes vides et mesurèrent la radioactivité des deux fractions obtenues. En utilisant les phages marqués au P32, la majeure partie de la radioactivité aboutissait dans les cellules bactériennes, indiquant que l'ADN de phage entre dans les cellules. Au contraire, le S35 est retrouvé dans les enveloppes montrant que les protéines du phage n'avaient pas pénétré dans la cellule bactérienne. Conclusion: l'ADN est le matériel héréditaire tandis que les protéines de phages ne sont qu'un emballage qui est écarté une fois que l'ADN a été injecté dans la cellule bactérienne ;