Chez un organisme unicellulaire, croître signifie se multiplier. Ce chapitre décrit la division bactérienne, les paramètres qui la quantifient (temps de génération, taux de croissance), la courbe de croissance en milieu non renouvelé avec ses phases, et les méthodes de mesure vues en TD et TP. Les calculs de croissance et le tracé de la courbe reviennent dans presque tous les examens de S3.
1. La division par scissiparité
Placée dans un milieu favorable, la bactérie synthétise ses constituants, réplique son chromosome à partir d'une origine unique, augmente de taille puis se divise par fission binaire (scissiparité) : la membrane s'invagine, un septum de paroi se forme au milieu de la cellule sous le contrôle de la protéine FtsZ et deux cellules filles génétiquement identiques se séparent. La reproduction est asexuée et clonale ; la variabilité ne vient que des mutations et des transferts génétiques. Le plan de division et la persistance des liaisons entre cellules filles expliquent les groupements observés au chapitre 2.
2. Temps de génération et taux de croissance
La multiplication suit une progression géométrique de raison 2 : 1, 2, 4, 8… soit 2n après n générations. À partir d'une population initiale N0, on obtient N = N0 × 2n. Le temps de génération G (ou θ) est le temps qui sépare deux divisions successives, c'est-à-dire le temps de doublement de la population : G = t / n. Le taux de croissance μ est le nombre de divisions par unité de temps : μ = n / t = 1 / G. En passant au logarithme, la relation devient linéaire : log N = log N0 + n log 2, soit n = (log N − log N0) / log 2, ou encore log2 N = log2 N0 + μt ; la pente de la droite en coordonnées semi-logarithmiques donne directement μ. Le temps de génération varie énormément selon l'espèce et les conditions : environ 20 min pour E. coli à 37 °C en milieu riche, quelques heures pour Mycobacterium tuberculosis, ce qui explique la lenteur de sa culture (plusieurs semaines).
Durée nécessaire au doublement d'une population bactérienne en phase exponentielle ; G = t / n, inverse du taux de croissance μ.
3. La courbe de croissance en milieu non renouvelé
Si l'on suit la population d'une culture en batch (milieu clos, non renouvelé) et que l'on trace log N en fonction du temps, on obtient une courbe en six phases définies par la valeur de μ. La phase de latence (μ = 0) : les bactéries s'adaptent, réparent leurs dommages, synthétisent les enzymes adaptées au milieu ; sa durée dépend de la taille et de l'âge de l'inoculum et de la composition du milieu. La phase d'accélération : μ augmente. La phase exponentielle : μ est constant et maximal, G est le plus court, toutes les cellules sont viables et physiologiquement homogènes — c'est là qu'on mesure μ et que l'on prélève pour les études. La phase de ralentissement : μ diminue. La phase stationnaire (μ = 0) : le facteur limitant s'épuise, les déchets toxiques (acides organiques) s'accumulent, les divisions compensent tout juste les morts. La phase de déclin (μ < 0) : lyse par les enzymes endogènes (autolyse), le nombre de bactéries viables diminue.
La diauxie illustre l'adaptation enzymatique : cultivé sur glucose + lactose, E. coli consomme d'abord le glucose, puis marque une deuxième latence le temps d'induire les enzymes de l'opéron lactose (β-galactosidase), avant de reprendre sa croissance sur lactose. La courbe présente ainsi deux phases exponentielles successives.
| Phase | Taux de croissance μ | Ce qui se passe |
|---|---|---|
| Latence | 0 | Adaptation, synthèse d'enzymes, pas de division |
| Accélération | Croissant | Les divisions commencent |
| Exponentielle | Maximal, constant | G minimal, cellules toutes viables |
| Ralentissement | Décroissant | Le facteur limitant s'épuise |
| Stationnaire | 0 | Naissances = morts ; déchets toxiques |
| Déclin | Négatif | Autolyse, chute des viables |
Les phases de la courbe de croissance
4. La mesure de la croissance
On distingue les méthodes de numération et les méthodes de mesure de masse. La numération directe totale se fait au microscope sur cellule à compter (cellule de Thoma, de Malassez) ou par compteur automatique de particules : rapide, mais elle ne distingue pas les cellules vivantes des mortes. La numération indirecte des viables repose sur des dilutions décimales en série (1 mL dans 9 mL de diluant) suivies d'un étalement (0,1 mL en surface) ou d'une incorporation (1 mL dans la masse) sur gélose : après incubation, chaque bactérie viable et cultivable donne une colonie. On ne compte que les boîtes portant entre 30 et 300 colonies et l'on exprime le résultat en UFC/mL (unités formant colonie), car plusieurs bactéries agrégées peuvent donner une seule colonie. La technique du nombre le plus probable (NPP), statistique, s'applique en milieu liquide. Pour la masse, on mesure le poids sec, l'azote ou les protéines totales, l'activité métabolique (consommation d'O2), ou surtout la turbidité (densité optique à 600 nm au spectrophotomètre) : c'est la méthode la plus simple, la plus rapide et la moins coûteuse, mais elle exige au moins 107 bactéries/mL et ne distingue pas non plus les mortes des vivantes.
5. Cultures continues et facteurs influençant la croissance
En culture continue (chémostat), on apporte en permanence du milieu neuf et on soutire un volume équivalent de culture : la population est maintenue indéfiniment en phase exponentielle à un taux de croissance fixé par le débit de dilution. Ce dispositif est la base des fermenteurs industriels. La croissance dépend enfin des facteurs physico-chimiques vus au chapitre précédent (température, pH, aw, O2) et des agents antimicrobiens : un antibiotique peut, selon sa concentration, être bactériostatique (il arrête la multiplication, la courbe se stabilise) ou bactéricide (il tue, le nombre de viables chute).
Unité de numération des bactéries viables : chaque colonie apparue sur gélose provient d'une bactérie ou d'un petit amas de bactéries de l'inoculum. Le résultat s'exprime en UFC par millilitre ou par gramme.
- N = N₀ × 2ⁿ ; G = t / n ; μ = n / t = 1 / G ; n = (log N − log N₀) / log 2.
- Six phases : latence (μ = 0) → accélération → exponentielle (μ max) → ralentissement → stationnaire (μ = 0) → déclin (μ < 0).
- Diauxie = deux phases exponentielles séparées par une latence d'induction enzymatique (glucose puis lactose).
- Numération des viables : dilutions décimales, étalement, comptage de 30 à 300 colonies, résultat en UFC/mL.
- Turbidité (DO) : rapide et simple, mais seuil de 10⁷ bactéries/mL et pas de distinction vivantes/mortes.
L'exercice type : on te donne N₀, N et t, et tu calcules n, G et μ — apprends la formule n = (log N − log N₀) / log 2 et vérifie l'unité (min ou h). Le tracé et la légende de la courbe de croissance avec les six phases tombent aussi très souvent, de même qu'un calcul d'UFC/mL à partir d'une boîte (nombre de colonies × inverse de la dilution × 10 si l'on a étalé 0,1 mL). Piège : la phase stationnaire n'est pas l'absence de division, mais l'équilibre entre divisions et morts.