FRANCOIS PaulGIBOUT EdouardNAEYAERT Edouard

Lycée du Sacré-Cœur, Reims

LA PENICILLINE,HIER ET AUJOURD’HUI,QUELLE EVOLUTION ?

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TPE – Premières Scientifiques – Année scolaire 2006 - 2007

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Sommaire

Introduction …………………………………………………………………………….. 4

I) Hier : bactéries, boîtes de pétri et premières utilisations… ……………………… 4

1) Une erreur, une contamination, une découverte. ……………………... 4

2) Une utilisation de plus en plus importante. ……………………………... 4

3) Reconstitution de la découverte de Fleming. ……………………………… 6

II) Aujourd’hui : recherche, production de masse et dangers. ……………………… 10

1) Elaboration et recherche de nouveaux antibiotiques. ……………………... 10

2) La pénicilline aujourd’hui : quelle utilisation ? ……………………………... 11

3) Quels dangers ? …………………………………………………………….. 11

Conclusion ……………………………………………………………………………. 12

Lexique ……………………………………………………………………………………. 13

Bibliographie et liste des sites visités …………………………………………….. 14

Iconographie ……………………………………………………………………………. 15

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La pénicilline hier et aujourd’hui, quelle évolution ?

Le monde dans lequel nous vivons est peuplé d’êtres vivants procaryotes : les Bactéries. Le corps humain abrite de nombreuses espèces de bactéries, notamment dans la flore intestinale, mais reste impuissant devant l’apparition massive de certains de ces êtres unicellulaires dans l’organisme, provoquant une infection généralisée : la septicémie. Les conséquences d’une telle maladie étant extrêmement grave, l’étude des bactéries et des moyens de les combattre fut une priorité au début du XXème siècle. Aujourd’hui, la pénicilline et d’autres antibiotiques ont étés découverts et on permis de repousser loin les limites de la médecine. Quelles furent les conditions de la découverte du premier antibiotique et quelle évolution a-t-il subit, sur le plan de la production comme sur le plan de l’utilisation ?

I) Hier : bactéries, boîtes de pétri et premières utilisations…

1) Une erreur, une contamination, une découverte.

En 1928, Fleming est un professeur en bactériologie réputé remarquable mais négligeant, travaillant au Saint Mary’s Hospital de Londres sur les propriétés des staphylocoques. Rentrant des grandes vacances, il remarqua que bon nombre de ses boîtes de pétri avaient été laissées négligemment ouvertes et contaminées par un champignon. L’histoire aurait pu s’arrêter là, mais la curiosité scientifique de Fleming le poussa à observer de plus près ce champignon et à remarquer que tout autour de cette contamination, aucune bactérie ne s’était développée. Fleming isola ce champignon, le reconnu et l’appela « Pénicilline ».

Ayant rapidement compris l’effet de ce champignon sur les staphylocoques, Fleming teste l’efficacité de la pénicilline sur d’autres bactéries. Certaines résistent et d’autres meurent. Content de sa découverte, Fleming publie dans le British Journal of Experimental Pathology un article relatant sa découverte.

« Travaillant avec des variants de staphylocoques, quelques boîtes de pétri restaient sur les paillasses et étaient examinées de temps en temps. Pendant cet examen, ces boîtes de pétrie étaient forcément exposées à l’air libre et devinrent contaminées par de différents micro organismes. Il a été remarqué qu’autour d’une grosse colonie de champignons, les colonies de staphylocoques devenaient transparentes et étaient apparemment mortes. »

On the antibacterial action of cultures of a penicillium, with special reference to their use in the isolation of B. Inflenzae. Alexander Fleming, in British Journal of Experimental Pathology

2) Une utilisation de plus en plus importante.

En 1939, alors que la guerre sévissait en Europe, il fallut développer la production de la pénicilline pour pouvoir l’utiliser afin de soigner les soldats blessés. La première étape était d’isoler la pénicilline et de la produire sous forme stable et en grande quantité. En effet, les premiers essais permettaient d’obtenir 4 unités de pénicilline en 200 heures alors qu’il faut en général près de trois millions d’unités pendant plusieurs jours pour guérir une angine. On a d’abord modifié le milieu de culture, augmentant la production par dix, mais il apparut rapidement que le champignon découvert par Fleming ne permettait pas d’obtenir assez de pénicilline. La guerre aidant, les scientifique se

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retrouvèrent aux Etats-Unis.

En fait, c’est sur un champignon trouvé sur un melon que la suite de la production de pénicilline se baserait. Les chercheurs n’ont ensuite eu de cesse de sélectionner des espèces mutantes de ce champignon capables de produire toujours plus de pénicilline, multipliant ainsi aujourd’hui par quinze mille la production de départ. De grands groupes pharmaceutiques américains s’unissent au projet pour la fabrication de cet antibiotique et le gouvernement américain en vient à considérer cette production comme un effort de guerre.

Néanmoins, la production de pénicilline resterait dans les premiers temps un problème et on demanderait aux patients à qui on en prescrivait de boire leur urine ! En effet, la pénicilline, éliminée rapidement par le corps humain, passe directement dans les urines.

Les scientifiques de l’époque tentèrent également d’en apprendre plus sur le mode d’action de cet antibiotique. S’ils sont longtemps restés sans réponse, on sait aujourd’hui que la pénicilline agit en empêchant chez la bactérie la synthèse de la paroi cellulaire. L’antibiotique modifie également l’ADN, l’empêchant de former une double hélice caractéristique et par conséquent la formation de nouvelles bactéries. Enfin, la pénicilline modifie et perturbe l’action des ribosomes.

La formule chimique de la pénicilline fut trouvée rapidement, plus particulièrement celle de la Pénicilline G, une variante : C16H18N2O4S , qui peut se modifier suivant les types de pénicilline

Structure de la Pénicilline G, en coloration conventionnelle, réalisée à partir d’un logiciel d’animation en Trois Dimensions.

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3) Reconstitution de la découverte de Fleming :

Nous nous sommes rapidement rendu compte qu’une expérience sur des antibiogrammes serait intéressante afin d’une part d’observer l’action des antibiotiques sur les bactéries, et d’autre part d’observer les différentes contaminations – s’il y en a – par des champignons, voire par celui producteur de pénicilline.

La commande du matériel afin de réaliser les antibiogrammes effectuée, nous avons pu commencer.

A – Boîtes de pétriB – Pastilles d’antibiotiquesC1 – Souche bactérienne B. mégateriaC2 – Souche bactérienne E. coliD – Pipette pasteurE – Etaleurs stériles F – Milieu nutritif ColumbiaG – Eau stérile

Une partie représentative de notre matériel.

La première étape consistait à couler les milieux nutritifs de Columbia, indispensables au développement de bactéries. En effet, comme tout être vivant, la bactérie se nourrit de nutriments, que contient ce milieu : levures, amidon, sel, etc. Le milieu de Columbia est relativement riche, ce qui le rend propice au développement de nombreuses bactéries. Cependant, d’autres milieux sont conçus de telle sorte qu’ils ne sont favorables au développement d’une unique bactérie ou qu’ils rendent une bactérie spécifique d’une couleur prédéfinie.

Les quatre tubes à pastilles d’antibiotiques, et l’eau stérile.

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A

C 1

F

B C2

D

EG

Nous coulons le milieu Columbia dans les Boîtes de pétri.

L’étape suivante consistait à multiplier nos souches de bactéries (E. Coli et B. Mega.) sur d’autres milieux Columbia. Cette étape, bien que paraissant facile, s’est avérée délicate dans la mesure ou nous ne devions en aucun cas altérer la gélose, sans quoi les bactéries se seraient développées à l’intérieur de celle-ci.Munis de matériel rudimentaire mais néanmoins efficace (un cure-dent stérile !) nous avons effectué cette opération avec succès en essayant de garder le milieu Columbia le plus stérile possible – ce qui fut réussi puisque nous n’avons observé aucun développement de champignons sur ces souches.

(A gauche)Nouvelle souche déposée grâce à un cure-dent.

Une fois cette opération effectuée, il était temps de passer à la réalisation de nos antibiogrammes. La technique est simple, prélever (encore…) des bactéries de nos souches, et les placer dans de l’eau stérile. Celle-ci se trouble alors immédiatement, signe de la présence de bactéries. La suite consiste à étaler le liquide ainsi obtenu sur les milieux Columbia de façon uniforme. Notre rencontre avec un professionnel ayant eu lieu, nous connaissions à présent deux techniques pour effectuer cette opération.

La première consiste à étaler quelques gouttes de liquide avec un étaleur stérile, l’autre consiste à tremper un coton tige stérile dans le liquide obtenu et d’en imbiber la gélose. Nous avons décidé de bien identifier quelle culture était réalisée avec quelle technique, afin de bien dégager ce qui semblait le plus pratique.

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A gauche : l’eau devient trouble à cause des bactéries qu’elle contient.A droite: étalage de l’eau et des bactéries sur la gélose grâce à l’étaleur stérile.

Une fois les bactéries réparties, il fallait placer sur les milieux les pastilles d’antibiotiques, à distance égale, afin que le rayon d’action d’un antibiotique n’empiète pas sur celui d’un autre antibiotique. Afin de vérifier l’action de la pénicilline, nous nous étions procuré des pastilles de pénicilline. Cinq antibiotiques différents ont donc été déposés sur la gélose.

Chaque pastille d’antibiotique est déposée à distance plus ou moins égale sur la gélose.

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Il fallait maintenant attendre que les bactéries se développent sur leur nouveau milieu et que les antibiotiques fassent leur effet. Nous espérions également que quelques contaminations extérieures se produiraient, pour observer leurs effets. Nous n’avons pas été déçus. D’une part les rayons d’actions des antibiotiques étaient tout à fait visibles, d’autre part de nombreuses contaminations, différentes, furent visibles.

Cette image montre l’action de la pénicilline sur deux bactéries différentes. E Coli (à gauche) est sensible à la pénicilline tandis que B. Mega (à droite) en est résistante.

Les lettres sur les pastilles identifient les antibiotiques.

Du point de vue des contaminations, de nombreux champignons se sont développés, sans pour autant posséder des propriétés antibiotiques, sur nos milieux de culture.

Plusieurs types de champignons observés sur nos cultures. Les champignons de droite ont été observés au microscope photonique.

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Zone d’action de la pénicilline

Notre expérience a donc permis de reconstituer les conditions de la découverte de la pénicilline par Fleming : l’étude d’une bactérie, et la contamination de son milieu de culture par un champignon.

II) Aujourd’hui : recherche, production de masse et dangers

1) Elaboration et recherche de nouveaux antibiotiques :

La pénicilline n’est pas une solution universelle, dans la mesure où elle ne combat pas toutes les bactéries, nous l’avons vu dans notre expérience.La découverte des antibiotiques se fait par la construction d’un gigantesque inventaire de tous les micro-organismes présents dans les milieux naturels solides et liquides. Chaque espèce est ensuite soumise à de nombreux essais en laboratoire pour isoler une de ses productions qui pourrait s’avérer intéressante.

Une fois le micro-organisme intéressant isolé, il faut assurer en grand nombre la production de l’antibiotique qu’il synthétise afin de permettre son étude en laboratoire. On place donc la souche en fermentation dans des cuves stériles de quelques mètres cubes, alimentées en air, également rendues stérile par chauffage a plus de 120°C. Durant toute cette opération de nombreux facteurs sont vérifiés en permanence, comme le pH, la teneur en sucre, etc. L’étape suivante consiste à isoler l’antibiotique, par centrifugation mais également par extraction par solvants. Le but final est d’obtenir un antibiotique le plus pur possible afin de permettre une étude qui ne soit pas faussée par des facteurs imprévus.

L’étude en laboratoire consiste en l’analyse des activités in vitro par des antibiogrammes mais également

l’étude in vivo chez l’animal, pour commencer. On évalue chez la souris, en général, les effets du produit ainsi découvert, pour découvrir s’il n’engendre pas de répercussions sur le fonctionnement global de l’organisme. Cette étape est extrêmement importante, car la complexité des organismes vivants peut agir à retardement et ne dévoiler des séquelles que longtemps après les premières injections.

Une fois que le produit est testé et est assuré de n’avoir aucun effet néfaste sur l’animal, l’étude chez l’homme peut commencer, les tests se font en plusieurs phases, afin de s’assurer des répercussions de l’antibiotique sur l’être humain, et de ses modalités d’emplois.

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Des fermenteurs industriels

2) La pénicilline aujourd’hui : quelle utilisation ?

Des différents types de pénicilline, beaucoup sont toujours utilisés aujourd’hui. La pénicilline benzathine est toujours utilisée au Canada pour soigner la syphilis. La pénicilline G soigne

généralement les infections Oto-rhino-laryngologiques, stomatologiques, respiratoires, cutanées, gynécologiques, digestives, etc. D’autres variantes de la pénicilline servent notamment à varier les modes d’admission (intraveineuse, par voie orale, etc.) ou à être actif même en cas de pénicillinases, enzymes secrétées par les bactéries qui peuvent inhiber l’action de la pénicilline.

On voit que la pénicilline, bien que d’autres antibiotiques aient été découverts, reste toujours d’actualité. Cependant, le fait que bon nombre de bactéries y soient résistantes pousse les médecins à utiliser des antibiotiques à spectre plus large, couvrant ainsi le maximum d’infections possible.

3) Quels dangers ?

Selon l'Organisation mondiale de la santé, certains antibiotiques actuellement disponibles pourraient ne plus être efficaces d'ici 10 à 20 ans. Ainsi, en 2003, une bactérie ayant développé la résistance à de nombreux antibiotiques s’est transmise à 18 personnes qui sont décédées, faute d’antibiotiques à leur administrer.

En effet, le traitement abusif par les antibiotiques n’a fait que de développer chez les bactéries des résistances. Le grand pouvoir d'adaptation des bactéries se manifeste par leur capacité à acquérir de nouvelles propriétés (soit par modification de leur génome soit par gain d'information génétique nouvelle). Les chercheurs réagissent à ces parades en inventant de nouvelles armes antibiotiques auxquelles les bactéries s'adaptent à nouveau en développant une nouvelle résistance et ainsi de suite.

En médecine de ville comme à l'hôpital, la prescription à grande échelle, et parfois inappropriée d'antibiotiques fait que les bactéries évoluent constamment vers la résistance. En 20 ans, la consommation d'antibiotiques par personne et par an a doublé. Une étude a montré qu’en 1980, 17,1% d’un échantillon représentatif avaient consommé des antibiotiques dans les trois mois précédant contre 25,4% en 1990. Plusieurs études ont établi que l'apparition de la résistance est associée d'une part, à la surconsommation d'antibiotiques et d'autre part, à des traitements trop courts ou trop longs et parfois mal dosés. La bactérie acquiert alors une mutation de deux façons différentes :

-soit une mutation survient sur le chromosome bactérien ; dans ce cas, la résistance est transmise uniquement à la descendance c'est-à-dire aux bactéries issue de la bactérie mutée.

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-soit la bactérie acquiert une information génétique provenant d'une autre bactérie déjà résistante; dans ce cas, la résistance se transmet aussi d'une bactérie à l'autre et d'une espèce à l'autre. 

La découverte de l’antibiotique par Fleming, à la suite d’un manque de rigueur a littéralement révolutionné la médecine en permettant de soigner de nombreuses infections. La découverte de nombreux autres antibiotiques a rapidement eu lieu, agrandissant la gamme de maladies soignables et les modes d’administration. Cependant, l’enthousiasme de la médecine pur l’antibiotique a forcé son utilisation abusive, et parfois non fondée.

« Les Antibiotiques, c’est pas automatique », ce slogan, aujourd’hui dans notre tête à tous, pourrait bien être utile afin d’éviter une diminution importante et exponentielle des capacités de nos antibiotiques actuels.

Nous tenons particulièrement à remercier Mathieu Kaltenbach pour nous avoir accorder le temps de nos questions et d’une visite de la faculté de pharmacie de Reims, François Bednareck pour avoir commandé le matériel nécessaire à la réalisation de nos expériences, le Dr Verquin, qui nous a permi de réaliser notre expérience en nous fournissant le matériel nécessaire ainsi que de précieux conseils, et Daniel Culdaut pour ses conseils éclairés autant sur le plan technique que sur la réalisation du dossier.

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Lexique :

Les mots sont inscrits dans leur ordre d’apparition :

Procaryotes : Structure cellulaire particulière, sans noyau ni autres organites, et s'opposant à la structure eucaryote.

Bactériologie : La bactériologie est la science qui étudie les bactéries.

Staphylocoques : Bactérie, dont certaines espèces sont responsables de nombreuses infections humaines ou animales.

Boîtes de Pétri : Une boîte de Pétri est une boîte cylindrique peu profonde, en verre ou en plastique munie d'un couvercle. Elle est utilisée en biologie pour la mise en culture de micro-organismes.

Ribosomes : Les ribosomes sont présents dans les cellules eucaryotes et procaryotes. Leur fonction est de synthétiser les protéines

Milieu Nutritif Columbia : Milieu nutritif ayant une composition favorable au développement de micro-organismes.

Centrifugation : Technique utilisant la force centrifuge pour séparer des fluides de densités différentes ou pour isoler des éléments solides en suspension dans un fluide. Permet de séparer les éléments d'un mélange en le faisant tourner à grande vitesse.

In vitro : Test en tube, ou, plus généralement, en dehors de l'organisme vivant ou de la cellule.

In vivo : Recherches ou examens pratiqués sur ou dans tout l'organisme.

Stomatologique : Qui se rapporte à la bouche.

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Bibliographie et Index des sites Internet visités :

Ouvrages :

« Histoire d’un antibiotique », Textes et Documents pour la Classe, n°249, 1980

Sites Internet :

Wikipedia.org et pages similaires :

- fr.wikipedia.org/wiki/P%C3%A9nicilline

- fr.wikipedia.org/wiki/Alexander_Fleming

- fr.wikipedia.org/wiki/E._coli

Fondation Recherche Médicale :

www.frm.org/informez/info_ressources_dossiers_article_sommaire.php?id=7

Cour sur la structure des molécules :

www.restena.lu/lhce/Chimie/Publications/PDF/1_stereochimie.pdf

Doctissimo :

www.doctissimo.fr/html/sante/mag_2000/mag0721/sa_7318_bacterie_super_resistante_danger.htm

Université Pierre et Marie Curie

www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/penicilline/penicilline.htm

Site Internet du ministère de la santé :

agmed.sante.gouv.fr/pdf/5/5013.pdf

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Iconographie :

Page 5, représentation de la molécule de Pénicilline G, Paul François, réalisé grâce à un logiciel d’animation 3D

Page 6, partie représentative de notre matériel, Paul François, Edouard Gibout, Edouard Naeyaert

Page 6, tubes à pastilles d’antibiotiques, et l’eau stérile, Paul François, Edouard Gibout, Edouard Naeyaert

Page 7, coulage du milieu de Columbia, Paul François, Edouard Gibout, Edouard Naeyaert

Page 7, nouvelle souche et cure dent, Paul François, Edouard Gibout, Edouard Naeyaert

Page 8, eau troublée, étaleur stérile et pastilles d’antibiotiques, Paul François, Edouard Gibout, Edouard Naeyaert

Page 9, comparaisons de l’action de la pénicilline, champignons divers observés, Paul François, Edouard Gibout, Edouard Naeyaert

Page 10, fermenteurs industriels, Lavallab

Page 11, médicaments divers, linternaute

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