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Mai 2004
 La découverte des antibiotiques


Malgré la découverte des microbes par Louis Pasteur (1822-1895) et Robert Koch (1843-1910), pères fondateurs de la microbiologie au dix-neuvième siècle, et en dépit de l’identification de nombreux agents infectieux et de la multiplication des vaccins à la suite de leurs travaux, les microbes ont continué à poser de sérieux problèmes de santé publique jusqu’au milieu du vingtième siècle. 
On était loin, à cette époque, de disposer de vaccins contre l’ensemble des maladies infectieuses. La pneumonie, la diphtérie, la syphilis, la tuberculose, pour n’en citer que quelques unes, faisaient des ravages. Malgré la mise en place de règles d’asepsie dans les hôpitaux, les petites comme les grandes blessures étaient souvent à l’origine de septicémies mortelles et l’accouchement même comportait toujours le risque de fièvre puerpérale, malgré les progrès de l’hygiène (voir « La naissance de la microbiologie »). C’est d’ailleurs encore partiellement vrai aujourd’hui puisque l’on ne dispose toujours pas, par exemple, de vaccin contre le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) à l’origine du sida ou contre le plasmodium, agent responsable du paludisme, qui infectent et tuent des millions d’êtres humains.
Même si la découverte des antibiotiques est loin d’avoir permis de contrôler l’ensemble des maladies infectieuses dues à des bactéries (sans parler des maladies virales et parasitaires contre lesquelles les antibiotiques sont sans efficacité), elle a cependant constitué une véritable révolution thérapeutique et a permis de sauver des millions de vies. 
Depuis Selman A. Waksman (1888-1973), découvreur de la streptomycine et prix Nobel de médecine 1952, on définit classiquement un antibiotique comme une substance produite par un microorganisme et capable d’inhiber la croissance d’un autre microorganisme, voire de le détruire. On y ajoute aujourd’hui également des substances de synthèse ou de semi-synthèse qui agissent comme les antibiotiques naturels sur des cibles précises du métabolisme bactérien même si elles ne sont pas produites par des microorganismes. Les antibiotiques se distinguent ainsi des antiseptiques qui détruisent les microorganismes sans sélectivité.
Dès la fin du dix-neuvième siècle, Pasteur avait remarqué avec son élève Joubert « l’antagonisme bactérien » et attiré l’attention des microbiologistes sur la compétition entre les microbes. Il montra notamment que lorsque des bactéries du charbon, Bacillus anthracis, étaient injectées à un animal en même temps que des bactéries communes, les secondes empêchaient les premières de se développer et les animaux ne contractaient pas la maladie. Il souligna l’intérêt de ce phénomène en écrivant :
« …tous ces faits autorisent peut-être les plus grandes espérances au point de vue thérapeutique. ». 
Le terme « antibiose » fut proposé en 1889 par Paul Villemin par opposition à « symbiose » pour rendre compte de cet antagonisme. Dès 1897, Ernest Duchesne (1874-1912), élève du service de santé des armées à Lyon, envisagea d’utiliser l’activité antimicrobienne de moisissures à des fins thérapeutiques. Dans sa thèse de doctorat en médecine intitulée
« Contribution à l’étude de la concurrence vitale chez les microorganismes ; antagonisme entre les moisissures et les microbes », il montrait que l’injection d’un bouillon de culture de la moisissure Penicillium glaucum protégeait des cobayes auxquels avait été administrée une dose létale de bactéries virulentes. Il ne put cependant développer ses travaux et il faudra attendre 1949 pour que l’Académie de médecine lui rende hommage comme précurseur de la découverte des antibiotiques.
Au début du vingtième siècle, de nombreux chercheurs s’intéressèrent à l’antagonisme bactérien. Emmerich et Loew identifièrent en 1899 la première substance chimique douée d’activité antibiotique, la pyocyanase, produite par Pseudomonas aeruginosa, le bacille pyocyanique. C’est une enzyme protéolytique capable de détruire notamment le vibrion cholérique et le bacille diphtérique. Des essais thérapeutiques fondés sur l’antagonisme bactérien furent alors mis en œuvre, comme à l’Institut Pasteur dès 1904. En 1927, plusieurs centaines d’exemples d’antibiose avaient été observés et ils conduisirent au développement d’une centaine d’essais thérapeutiques. Non seulement ils n’eurent aucun succès, mais ils provoquèrent en outre de nombreux accidents, souvent mortels.
La découverte, en 1915 par Félix d’Hérelle (1873-1949), des bactériophages, virus qui détruisent uniquement les bactéries, suscita également des espoirs. Ils furent aussi déçus sur le plan thérapeutique, puisque aucun traitement antibactérien ne put en être tiré. Cependant, l’étude des bactériophages devait se révéler particulièrement féconde en contribuant à la naissance de la biologie moléculaire (voir « Quand la biologie devint moléculaire »).
Le véritable pionnier de la découverte des antibiotiques fut sans doute René Dubos (1901-1982), bactériologiste et biochimiste d’origine française devenu américain. Chercheur et professeur à l’Institut Rockefeller de New York où il avait été embauché par le célèbre Oswald Avery (voir « Quand la biologie devint moléculaire »), il découvrit à la fin des années 1930 le premier antibiotique, la tyrothricine. Active sur de nombreuses bactéries, la tyrothricine (qui était en réalité un mélange de trois antibiotiques) se révéla malheureusement trop toxique pour être administrée par voie générale. Elle reste cependant efficace en application locale. Contrairement à la découverte de la pénicilline, faite un peu plus tôt mais par hasard, celle de la tyrothricine résultait d’une recherche systématique de substances antibiotiques produites par des bactéries du sol.
La découverte du sulfanilamide par Gelmo à l’occasion de travaux sur les colorants date de 1908 mais il ne cherchait pas spécialement de substances antimicrobiennes. Ce n’est qu’entre 1932 et 1935 que Gerhard Domagk (1895-1964), en recherchant des substances chimiques sélectivement toxiques pour les bactéries, découvrit l’action antimicrobienne de la sulfamidochrysoïdine, un dérivé soufré de l’acide para-aminobenzoïque. Cette découverte ouvrit la voie à l’utilisation des sulfamides en chimiothérapie anti-infectieuse. Les sulfamides sont des bactériostatiques efficaces contre certaines bactéries et leur utilisation permit de faire diminuer la mortalité de la pneumonie de 20 % à 5 %. Des dérivés voisins découverts un peu plus tard, les sulfones, furent les premiers médicaments actifs contre la lèpre. En outre, des accidents hypoglycémiques lors de l’utilisation des sulfamides devaient conduire à la découverte des sulfamides hypoglycémiants, stimulants de la sécrétion d’insuline encore utilisés aujourd’hui chez certains diabétiques. Ainsi, les sulfamides, premiers antibactériens de synthèse, donnèrent naissance à d’excellents médicaments mais se révélèrent inefficaces contre de très nombreux microbes.
Pasteur disait que le hasard dans les découvertes scientifiques ne sourit qu’à ceux qui y sont préparés. Ce fut le cas du découvreur de la pénicilline, sir Alexander Fleming (1881-1955), professeur de bactériologie à l’hôpital Sainte Marie de Londres, où il fit toute sa carrière. C’est là qu’il découvrit la recherche, dans le laboratoire des vaccins de Sir Almroth Wright (1861-1947). Ce dernier est notamment connu pour avoir mis au point un vaccin contre la fièvre typhoïde expérimenté puis utilisé par l’armée anglaise et a aussi laissé son nom à une méthode de diagnostic de la brucellose, une redoutable maladie infectieuse.
Fleming identifia en 1922 le lysozyme, une protéine antibiotique qui détruit certaines bactéries et qui se trouve aussi bien dans le blanc d’œuf que dans les larmes et la salive. La nature et le mode d’action du lysozyme furent élucidés par les chimistes Ernst Boris Chain (1906-1979) et Howard Walter Florey (1898-1968). Le lysozyme est, comme la pyocyanase, une enzyme capable de rompre certaines liaisons chimiques des parois bactériennes, provoquant ainsi la destruction des bactéries qui les possèdent. Malheureusement, le lysozyme est surtout actif sur des bactéries inoffensives pour l’homme mais son étude permit à Fleming d’améliorer ses méthodes. Le coup de chance évoqué plus haut se produisit en 1927. De retour à son laboratoire après des vacances, Fleming remarqua qu’une de ses boîtes de culture contenant des staphylocoques avait été contaminée accidentellement par une moisissure du genre Penicillium. Il constata alors que la croissance des colonies de staphylocoques était inhibée à proximité des colonies du champignon et comprit immédiatement l’intérêt potentiel de sa découverte. Il identifia la moisissure comme Penicillium notatum et appela "pénicilline" la substance inhibitrice. En 1929, conscient des potentialités de sa découverte, il écrivait : 
« La pénicilline utilisée en doses massives n’est ni toxique ni irritante…elle peut constituer, par applications ou en injections, un antiseptique efficace contre les microbes ». 
Cependant, Fleming ne put isoler que de petites quantités de pénicilline grossièrement purifiée et ses travaux n’eurent guère d’échos. La molécule de pénicilline est instable et fragile et elle est donc difficile à purifier. Il l’utilisa dès lors pour éliminer les bactéries indésirables de ses boîtes de culture. Ce n’est que dix ans plus tard, en 1939, que Ernst Boris Chain et Howard Walter Florey, qui avaient déjà travaillé avec Fleming sur le lysozyme, se saisirent du problème. Ils réussirent à isoler des quantités substantielles d’un sel sodique utilisable chez l’homme et, en 1941, cette pénicilline fut administrée à un policier anglais atteint de septicémie. Les résultats furent spectaculaires mais il n’y eut malheureusement pas assez de produit pour venir à bout de l’infection et le malade finit par mourir. D’autres essais furent plus concluants mais ils restèrent limités car on ne savait pas encore produire la pénicilline en grande quantité. 
Dans la Grande Bretagne en guerre, il était difficile de lancer de grands projets et la production industrielle fut mise au point aux États-Unis. On y mit en œuvre les méthodes de la brasserie avec d’énormes cuves de fermentation servant à cultiver le Penicillium notatum  pour produire la pénicilline en quantités appréciables. Ce fut la première application industrielle des biotechnologies dans l’industrie pharmaceutique. En utilisant des sous produits abondants et peu coûteux de l’industrie de l’amidon, Chain et Florey mirent au point des milieux de culture permettant une production bon marché et, dès 1943, les hôpitaux militaires américains reçurent leurs premières doses. Les résultats furent spectaculaires, notamment chez les militaires blessés, et les grandes sociétés pharmaceutiques américaines, Merck, Pfizer, Squibb, etc. se mirent à produire de la pénicilline. Aussi, à la fin de la guerre, quelque 650 milliards d’unités de pénicilline étaient produites chaque mois permettant de traiter des centaines de milliers de malades (il faut en moyenne 2,5 millions d’unités pour un malade). 
Alexander Fleming, Ernst Chain et Howard Florey reçurent conjointement le prix Nobel de médecine en 1945 pour leurs travaux sur la pénicilline.
Dès lors, d’autres antibiotiques furent recherchés à partir des microorganismes les plus divers. 
S. Waksman (1888-1973) passa au crible des milliers de microorganismes. Avec Schatz et Bugie, il découvrit la streptomycine en 1944 dans des cultures de la bactérie Streptomyces griseus. Elle fut expérimentée chez les tuberculeux dès l’année suivante avant d’être commercialisée en 1949.  Waksman découvrit bien d’autres antibiotiques importants, l’actinomycine, la griséine, la néomycine et quelques autres encore. Il reçut le prix Nobel de médecine en 1952.
Dans les années suivant la seconde guerre mondiale, on découvrit d’autres antibiotiques majeurs. En 1947 furent isolées les premières aérosporines. En 1948, Ehrlich isola le chloramphénicol à partir de Streptomyces et Duggar la tétracycline. Streptomyces se révéla décidément un auxiliaire précieux : il est à l’origine de nombreux autres antibiotiques comme l’érythromycine (1952), l’amphotéricine B (1956), la vancomycine (1956), la kanamycine (1957), la lincomycine (1962). En 1963, c’est la gentamicine qui fut extraite d’une moisissure. 
On connaît aujourd’hui une dizaine de familles principales d’antibiotiques permettant de contrôler la quasi totalité des bactéries. Les antibiotiques, contrairement aux antiseptiques, agissent sur des cibles moléculaires précises du métabolisme bactérien : synthèse de la paroi (pénicillines), synthèse des protéines (aminosides), synthèse de l’ADN (quinolones). Leur spectre d’action est varié et diffère selon les espèces de bactéries. La modification des molécules naturelles par la chimie a, par la suite, permis d’obtenir de nouvelles propriétés facilitant l’utilisation thérapeutique des antibiotiques. Ainsi l’ampicilline est une pénicilline résistante aux enzymes bactériennes.
L’utilisation des antibiotiques a donc constitué une considérable révolution médicale et on considère qu’elle a permis d’allonger de dix ans la durée de vie moyenne de l’espèce humaine. 
La diversité des antibiotiques et de leurs modes d’action devraient permettre de faire face à la plupart des infections bactériennes si ne se posait pas le problème des résistances aux antibiotiques, conséquence de l'écologie microbienne et illustration de l’extraordinaire capacité d'adaptation du vivant. En effet, selon les espèces, les bactéries peuvent présenter une résistance naturelle ou une résistance acquise à un ou plusieurs antibiotiques. On sait déterminer par des tests, les antibiogrammes (tests qui permettent d’évaluer l’efficacité d’un antibiotique sur telle ou telle souche de bactéries), le profil de résistance d'une souche bactérienne. La résistance naturelle est un caractère spécifique, c’est à dire partagé par toutes les souches de la même espèce. L’espèce est ou n’est pas sensible à tel ou tel antibiotique en fonction de son équipement biochimique déterminé par ses gènes. Les spectres d’action des différents antibiotiques sur les différentes espèces de bactéries sont connus. En revanche, la résistance acquise différencie des souches de la même espèce. Dans une souche habituellement sensible à un antibiotique apparaît un clone qui se développe même en présence de l’antibiotique. Il s’agit d’un caractère héréditaire lié soit à une mutation dans un gène de la bactérie, soit à l’acquisition d’un nouveau gène, en particulier par l’intermédiaire d’un plasmide, petit fragment d’ADN transmis par une autre bactérie. Ce dernier type de résistance se propage rapidement et certaines infections peuvent devenir très difficiles à soigner, notamment lorsque les résistances deviennent multiples. Des espèces différentes peuvent même échanger des gènes de résistance portés par des plasmides. Le mode d’action des antibiotiques - ils agissent sur une réaction chimique précise du métabolisme bactérien - est tel que certaines mutations des bactéries les rendent capables d’inactiver tel ou tel antibiotique, soit en rendant impossible sa pénétration cellulaire, soit en le détruisant par une enzyme, soit en contournant par d’autres réactions la cible de l’antibiotique. Le phénomène de résistance a donc une origine génétique et l’utilisation massive des antibiotiques, chez les animaux comme chez l’homme, exerce une pression de sélection qui favorise l’apparition de souches résistantes. On observe ainsi régulièrement de nouvelles résistances y compris face à des antibiotiques réputés depuis longtemps pour leur efficacité. Bien que de nouveaux dérivés soient mis régulièrement sur le marché, les résistances progressent et commencent à poser de sérieux problèmes aux médecins. En effet, les bactéries se multiplient rapidement. Une bactérie se divise en deux cellules filles identiques à la cellule mère. Après quelques minutes à quelques dizaines de minutes de croissance, chaque bactérie se divise à nouveau. Lorsque le milieu est favorable, il est donc rapidement envahi par les descendants des bactéries qui l’ont colonisé. Chez l’homme, le système immunitaire est le plus souvent capable de détruire les bactéries mais si rien n’empêche leur multiplication dans l’organisme, il se produit une septicémie rapidement mortelle.
On considère que les bactéries représentent la majorité de la biomasse. Leur nombre compense leur taille. Elles sont présentes dans tous les habitats de la planète et remplissent des fonctions essentielles dans tous les écosystèmes. Heureusement, seul un petit nombre d’espèces est pathogène. 
Chez l'homme diverses espèces commensales sont nécessaires au bon fonctionnement de l'appareil digestif qui en contient des milliards. C'est pourquoi on observe parfois des désordres intestinaux lors de l'administration d'antibiotiques. De nombreuses espèces sont utilisées industriellement notamment dans les industries pharmaceutique et agroalimentaire. C’est d’ailleurs le yaourt, inventé il y a des milliers d'années, que nous utiliserons comme source de bactéries pour les observer car il en contient un grand nombre. Le yaourt résulte de la coagulation du lait lors de sa fermentation par différentes espèces de bactéries, streptocoques, bacilles, bifidobactéries. 

OBSERVER DES BACTÉRIES
Les antibiotiques agissent uniquement sur les bactéries, microorganismes formés d’une seule cellule dont la taille dépasse rarement 2 ou 3 µm et qui ne comporte ni noyau, ni compartiments, contrairement aux cellules constituant les animaux, les champignons et les plantes. Les cellules bactériennes présentent des formes variées : arrondie (coques), en bâtonnet (bacilles), en vrille (spirochètes), etc. 
Les bactéries sont trop petites pour être visibles à l’œil nu et il faut donc utiliser un microscope pour les voir. Le microscope à une seule lentille présenté dans cette rubrique (voir « L’invention du microscope ») ne permet pas d’observer des bactéries en raison de son grossissement insuffisant.

Matériel
Microscope, lame, lamelle, yaourt, bleu de méthylène à 2 %.

Comment procéder ?
Bien mélanger le yaourt avec une cuillère. 
Prélever un échantillon de la taille de 3 à 4 têtes d’épingle avec la pointe d’un couteau et le placer sur la lame.
Ajouter une goutte d’eau et mélanger avec la pointe du couteau.
Ajouter une goutte de bleu de méthylène et mélanger.
Recouvrir d’une lamelle.
Utiliser un grossissement de 400 au minimum.

Résultat
 


Quelques bactéries du yaourt
(coloration par le bleu de méthylène x 400)
On observe essentiellement des streptocoques en forme de petits points disposés en files. Ces files sont des colonies résultant de la division des cellules. 
Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Streptocoques du yaourt
(coloration par le bleu de méthylène x 1000)
Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Bifidobacterium dans un yaourt "au bifidus"
(coloration par le bleu de méthylène x 1000)

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