Ressources · 1ʳᵉ · SVT (spécialité)
Antibiorésistance : variation génétique bactérienne
Mutations spontanées ou induites dans des populations bactériennes immenses ; antibiogramme et CMI ; protocole d’apparition de mutants résistants et taux d’apparition des résistances ; sélection des résistants par les antibiotiques, compétition et multirésistance ; usages en santé humaine, vétérinaire et agricole et bases de données ; santé publique et usage responsable des antibiotiques.
À propos de cette page
Des populations immenses où naissent des mutants résistants
Rappel. En 4e, tu as vu qu’un antibiotique agit sur les bactéries et pas sur les virus, et qu’il favorise les bactéries résistantes (« Micro-organismes et santé : contamination et antibiotiques ») ; en 2de, que la sélection naturelle trie des mutations apparues au hasard, avant le contact avec le milieu qui les favorise (« Évolution : les forces évolutives d’une population »). L’origine des mutations est étudiée dans le chapitre « Mutations : origine et variabilité génétique ».
— Après n générations, un effectif N0 devient N = N0 × 2n, avec n = durée ÷ temps de génération : en quelques heures, une infection ou une culture compte des milliards de bactéries.
— À chaque réplication, des mutations spontanées apparaissent au hasard ; d’autres sont induites par un agent mutagène. Quelques-unes, rares, rendent la bactérie résistante à un antibiotique. La mutation est recopiée à chaque division : toute la descendance de la bactérie mutée (un clone) est résistante. Avec un seul exemplaire du gène, aucun autre allèle ne masque l’effet de la mutation.
— Un antibiotique est une molécule qui tue les bactéries (bactéricide) ou bloque leur multiplication (bactériostatique) en agissant sur des structures ou des fonctions propres aux bactéries : leur paroi, leurs ribosomes, la réplication de leur ADN. Il est sans effet sur les virus. Une bactérie est résistante si elle se multiplie en présence d’une concentration d’antibiotique qui bloque les bactéries sensibles de son espèce. Les mécanismes moléculaires de la résistance ne sont pas au programme.
— Le nombre de mutants résistants attendu dans une population vaut effectif × fréquence des mutants : une très grande population contient déjà des résistants avant tout traitement.
Une population qui double. E. coli se divise toutes les 20 min. En 4 h, soit 240 min : 240 ÷ 20 = 12 générations. Une seule bactérie donne 2¹² = 4 096 bactéries.
Des mutants déjà présents. Valeurs choisies : une infection urinaire compte 2 × 10⁹ bactéries, et la fréquence des mutants résistants à la rifampicine y vaut 5 × 10⁻⁹. Nombre attendu : 2 × 10⁹ × 5 × 10⁻⁹ = 10 bactéries résistantes, présentes avant la première prise de rifampicine.
Réflexe — je calcule d’abord le nombre de générations (durée ÷ temps de génération), puis l’effectif N0 × 2n ; le nombre de mutants attendu est l’effectif multiplié par la fréquence.
Attention — une bactérie ne « mute pas pour résister » : la mutation survient au hasard, que l’antibiotique soit là ou non. Et ce sont les bactéries qui sont résistantes, jamais le patient.
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Montrer la sensibilité ou la résistance : antibiogramme et CMI
— L’antibiogramme (méthode par diffusion) : on ensemence toute la surface d’une gélose avec une suspension de la bactérie de densité connue ; on y dépose des disques de papier de 6 mm imprégnés chacun d’un antibiotique ; on incube environ 18 h à 35-37 °C. L’antibiotique diffuse dans la gélose et sa concentration diminue en s’éloignant du disque : autour de lui apparaît une zone d’inhibition, claire, où les bactéries n’ont pas pu se multiplier. On mesure son diamètre, disque compris, et on le compare au diamètre critique de cet antibiotique, fixé par des comités d’experts (en Europe, l’EUCAST) : diamètre ≥ diamètre critique → souche sensible ; diamètre < diamètre critique → souche résistante. Un diamètre de 6 mm, celui du disque, signifie qu’il n’y a aucune inhibition.
— La concentration minimale inhibitrice (CMI) : une série de tubes reçoit la même quantité de bactéries et des concentrations d’antibiotique qui doublent d’un tube à l’autre. Après incubation, un tube trouble signale une croissance. La CMI est la plus petite concentration sans croissance visible. On la compare à la concentration critique : CMI ≤ concentration critique → sensible ; CMI > concentration critique → résistante. Plus la CMI d’une souche est élevée, plus sa zone d’inhibition est petite.
— Témoins : un tube ou une boîte sans antibiotique montre que les bactéries peuvent pousser ; un tube sans bactéries montre que le milieu n’est pas contaminé.
— Choisir : on retient un antibiotique auquel la souche est sensible, de préférence à spectre étroit (actif sur un petit nombre d’espèces), qui épargne le microbiote et sélectionne moins de résistances chez les autres bactéries.
— Sécurité : souches non pathogènes au lycée, blouse, gants, paillasse désinfectée, travail près d’une flamme, boîtes fermées par un ruban adhésif et jamais rouvertes après incubation, cultures détruites à l’autoclave, mains lavées en fin de séance.
Figure 1 — Antibiogramme d’une souche d’E. coli (valeurs simplifiées pour l’exemple). Zones d’inhibition mesurées, disque compris : disque 1 (ampicilline) 6 mm, critique 14 mm ; disque 2 (céfoxitine) 20 mm, critique 19 mm ; disque 3 (fosfomycine) 22 mm, critique 24 mm ; disque 4 (nitrofurantoïne) 26 mm, critique 11 mm.
Lire la figure 1. Ampicilline : 6 mm, aucune zone autour du disque → résistante. Céfoxitine : 20 ≥ 19 → sensible. Fosfomycine : 22 < 24 → résistante, alors que sa zone est plus grande que celle de la céfoxitine. Nitrofurantoïne : 26 ≥ 11 → sensible. Deux antibiotiques sont utilisables : céfoxitine et nitrofurantoïne.
Lire une gamme de CMI. Tubes à 0,25 ; 0,5 ; 1 ; 2 ; 4 ; 8 et 16 mg/L. Les tubes à 0,25, 0,5 et 1 mg/L sont troubles, les suivants restent limpides : CMI = 2 mg/L. Pour une concentration critique de 0,5 mg/L : 2 > 0,5, la souche est résistante.
Réflexe — chaque antibiotique a son propre seuil : je compare le diamètre (ou la CMI) de la souche au seuil de CET antibiotique, jamais les diamètres de deux antibiotiques entre eux.
Attention — la plus grande zone ne désigne pas forcément l’antibiotique efficace : la fosfomycine de la figure 1 a une zone plus large que la céfoxitine, mais la souche lui résiste. Et sens inverse des deux mesures : grande zone = petite CMI.
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Faire apparaître et compter des mutants résistants
— 1. Partir d’un clone sensible : une culture issue d’une seule bactérie, dont on a vérifié la sensibilité à l’antibiotique.
— 2. Faire grandir la population sans antibiotique, jusqu’à 10⁹ ou 10¹⁰ bactéries par millilitre.
— 3. Dénombrer la population : on dilue la culture au dixième plusieurs fois de suite, on étale un volume connu d’une dilution sur une gélose sans antibiotique, on incube et on compte les colonies (chacune vient d’une bactérie). Concentration de la culture = colonies ÷ volume étalé × facteur de dilution.
— 4. Révéler les résistants : on étale un grand volume de culture non diluée sur une gélose avec l’antibiotique, à une concentration qui bloque toutes les bactéries sensibles. Seuls les mutants résistants forment une colonie.
— 5. Contrôler : on repique des colonies sur un milieu avec antibiotique ; elles y poussent, et leur descendance aussi : la résistance est héréditaire, due à une mutation. Une boîte avec antibiotique sans bactéries vérifie que le milieu n’est pas contaminé.
— 6. Calculer le taux d’apparition des résistances : fréquence des mutants = nombre de bactéries résistantes ÷ nombre total de bactéries, pour un même volume de culture. Elle est faible, souvent de 10⁻¹⁰ à 10⁻⁶ selon l’antibiotique ; un agent mutagène l’augmente.
— 7. Montrer que les mutants existaient avant le contact (expérience des Lederberg, 1952, vue en 4e) : on étale la culture diluée sur une gélose sans antibiotique, puis on en imprime une copie, avec un velours, sur une gélose à antibiotique. Les colonies résistantes poussent toujours aux mêmes places ; les colonies de la boîte sans antibiotique situées à ces places, qui n’ont jamais touché l’antibiotique, se révèlent résistantes. L’étape 4 seule ne le prouve pas : les bactéries y sont au contact de l’antibiotique.
Sécurité : celle de l’antibiogramme (souche non pathogène, boîtes fermées, destruction à l’autoclave).
Dénombrer la culture. Valeurs choisies : 0,1 mL de la dilution 10⁻⁷ donne 152 colonies sur gélose sans antibiotique. Concentration : 152 ÷ 0,1 × 10⁷ = 1,52 × 10¹⁰ bactéries par mL.
Calculer la fréquence. 0,1 mL de culture non diluée donne 38 colonies sur gélose à rifampicine, soit 38 ÷ 0,1 = 380 résistantes par mL. Fréquence : 380 ÷ (1,52 × 10¹⁰) = 2,5 × 10⁻⁸, soit environ une bactérie sur 40 millions.
Réflexe — je ramène les deux comptages au même volume (par mL), sans oublier le facteur de dilution, puis je divise les résistantes par l’effectif total.
Attention — étaler une culture diluée sur l’antibiotique ne donne en général aucune colonie : il faut étaler la culture non diluée pour avoir une chance d’y trouver les rares mutants. Et oublier le facteur de dilution fausse le résultat d’un facteur 10⁶ ou 10⁷.
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L’antibiotique sélectionne les mutants résistants
— En éliminant les bactéries sensibles, qui étaient leurs compétitrices pour les nutriments et l’espace, l’antibiotique laisse le champ libre aux résistantes : leur nombre et leur fréquence augmentent très vite. Quelques centaines de mutants suffisent à reconstituer une population de plusieurs milliards en une journée.
— L’avantage dépend du milieu. Avec l’antibiotique, la mutation de résistance est très avantageuse ; sans lui, elle est neutre ou légèrement défavorable, car les mutants se multiplient parfois un peu moins vite que les sensibles : c’est le coût de la résistance.
— Des traitements successifs par des antibiotiques différents, ou des concentrations trop faibles qui laissent survivre des bactéries un peu moins sensibles, sélectionnent par étapes des mutants de plus en plus résistants et des bactéries résistantes à plusieurs antibiotiques : les bactéries multirésistantes.
Reconstituer la population. Valeurs choisies : un traitement élimine toutes les sensibles d’une population de 4 × 10⁹ bactéries ; il reste les 400 résistantes, soit une fréquence de 400 ÷ (4 × 10⁹) = 10⁻⁷. Pour revenir à 4 × 10⁹, il faut 2n ≥ 10⁷ : 2²³ = 8 388 608 ne suffit pas, 2²⁴ = 16 777 216 suffit, donc 24 générations, soit 12 h avec une division toutes les 30 min. La population est alors résistante à près de 100 %.
Une sélection par paliers. En 2016, l’équipe de Michael Baym (Harvard) cultive E. coli sur une gélose de 120 cm × 60 cm divisée en bandes de plus en plus concentrées en triméthoprime : 0, 3, 30, 300 puis 3 000 fois la CMI de la souche de départ. En une dizaine de jours, des bactéries colonisent la bande la plus concentrée : des mutations successives, chacune sélectionnée sur une bande, ont multiplié leur résistance.
Réflexe — pour expliquer une hausse de résistance, je cite les trois étapes : mutants résistants présents avant le traitement, élimination des sensibles par l’antibiotique, multiplication des résistantes sans concurrence.
Attention — « l’antibiotique a rendu les bactéries résistantes » est faux : il n’a fait que révéler et multiplier des mutants qui existaient déjà. Et une résistance n’est un avantage qu’en présence de l’antibiotique.
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Usages des antibiotiques et fréquence des résistances
— Une utilisation systématique exerce une pression de sélection permanente sur toutes les bactéries exposées, pathogènes ou non (microbiote, bactéries des sols et des eaux) : la fréquence des formes résistantes augmente dans les populations naturelles, et des bactéries résistantes à plusieurs antibiotiques apparaissent. Les bactéries résistantes des animaux peuvent atteindre l’humain par les aliments, les contacts ou l’environnement : la santé humaine, la santé animale et l’environnement sont liés (approche « Une seule santé »).
— Des bases de données suivent ces évolutions : en Europe, le Centre européen de prévention et de contrôle des maladies (ECDC) rassemble la résistance des bactéries isolées du sang (réseau EARS-Net) et la consommation humaine d’antibiotiques (réseau ESAC-Net) ; en France, Santé publique France et l’Anses (usages vétérinaires).
— Trois indicateurs à ne pas confondre : le pourcentage de souches résistantes parmi les souches testées d’une espèce ; l’incidence, nombre de cas pour 100 000 habitants et par an ; la consommation, en doses définies journalières (DDJ) pour 1 000 habitants et par jour.
— Une corrélation entre consommation et résistance (entre pays ou entre années) ne prouve pas à elle seule une relation de cause à effet ; elle est cohérente avec le mécanisme de sélection, et d’autres facteurs jouent (hygiène, transmission à l’hôpital, dépistage des porteurs).
Lire un pourcentage. Selon l’ECDC, 14,2 % des souches de Staphylococcus aureus isolées du sang en 2024 dans l’Union européenne et l’Espace économique européen étaient résistantes à la méticilline (SARM). C’est une proportion parmi les staphylocoques testés, pas parmi les habitants ni parmi les malades.
Lire une évolution. Selon l’Anses, l’exposition des animaux d’élevage et de compagnie aux antibiotiques a baissé de 48,7 % entre 2011 et 2024 en France : un indice de 100 en 2011 vaut 100 × (1 − 0,487) = 51,3 en 2024. Pour la colistine, antibiotique de dernier recours chez l’humain, la baisse atteint 80,9 %.
Réflexe — devant un tableau de surveillance, je lis l’indicateur (pourcentage, incidence ou consommation), l’unité, l’année et la source avant de comparer ; une évolution se calcule par rapport à la valeur de départ.
Attention — passer de 40 % à 30 %, c’est une baisse de 10 points, mais de 25 % en valeur relative ; et diviser l’écart par la valeur d’arrivée au lieu de la valeur de départ donne une évolution fausse.
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Un problème de santé publique : vers un usage responsable
— Le nombre de familles d’antibiotiques disponibles est limité et on en découvre très peu : selon l’OMS (2024), sur 13 antibiotiques autorisés depuis juillet 2017, 2 seulement appartiennent à une nouvelle classe chimique. Il faut donc préserver l’efficacité de ceux qui existent.
— Le raisonnement évolutionniste guide des pratiques plus responsables, qui tiennent compte de l’avantage compétitif des résistants : ne traiter que les infections bactériennes (test rapide de l’angine) ; choisir l’antibiotique d’après un antibiogramme, à spectre étroit ; respecter la dose et la durée prescrites, sans arrêter de soi-même ni réutiliser un reste ; associer plusieurs antibiotiques quand la population bactérienne est immense, car la fréquence des bactéries résistantes à deux antibiotiques est le produit des deux fréquences (résistances indépendantes) ; réserver les antibiotiques de dernier recours ; empêcher la transmission des bactéries résistantes (hygiène des mains, isolement des porteurs à l’hôpital, vaccination, qui évite des infections et donc des traitements).
— Ces pratiques s’appliquent aussi à l’élevage : en France, les plans Écoantibio (depuis 2012) ont fait baisser l’exposition des animaux. En santé humaine, l’Assurance maladie a lancé dès 2002 la campagne « Les antibiotiques, c’est pas automatique ».
— Limite : une résistance déjà répandue peut persister longtemps après la baisse de l’usage ; mieux vaut éviter qu’elle s’installe.
Lire une projection. 39 millions de décès sur 26 ans (de 2025 à 2050 inclus) font en moyenne 39 ÷ 26 = 1,5 million par an, contre 1,14 million en 2021 : la hausse prévue est d’environ un tiers.
Pourquoi associer. Un antibiotique seul laisse survivre les mutants qui lui résistent, souvent déjà présents dans une grande population. Avec deux antibiotiques, un mutant résistant à l’un est tué par l’autre : seule une bactérie résistante aux deux survivrait, et sa fréquence, produit de deux nombres très petits, est infime.
Réflexe — pour justifier une mesure de bon usage, je dis quelle sélection elle évite (moins de bactéries exposées, moins de survivantes, moins de transmission) et je relie la mesure à l’avantage compétitif des résistants.
Attention — un traitement interrompu dès que l’on se sent mieux laisse survivre les bactéries les moins sensibles, qui repeuplent l’infection ; et un antibiotique pris « au cas où » contre un virus ne soigne rien mais sélectionne des résistances dans le microbiote.
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Pour aller plus loin
Ces notions prolongent le chapitre, mais elles sont traitées dans d’autres chapitres.
Les transferts de gènes entre bactéries. Une bactérie peut aussi recevoir un gène de résistance d’une autre bactérie, parfois d’une autre espèce, souvent porté par un petit ADN circulaire, un plasmide (conjugaison, transformation) : c’est un transfert horizontal, étudié en terminale spécialité dans le chapitre « Complexification des génomes : transferts horizontaux et endosymbioses ».
Les mutations et leurs causes (erreurs de réplication, agents mutagènes, réparation de l’ADN) : chapitre « Mutations : origine et variabilité génétique ». Les mutations et la santé humaine (maladies génétiques, cancers) : chapitre « Génome et santé : mutations, maladies multifactorielles, cancers ».
Le microbiote et les antibiotiques : en 2de, chapitre « Microbiote humain et santé ». Les défenses de l’organisme contre les bactéries : chapitre « Immunité innée : barrières et réaction inflammatoire ».
- Les bactéries, au chromosome unique, se divisent vite : une population de milliards de cellules contient déjà, avant tout traitement, des mutants résistants apparus au hasard (effectif × fréquence).
- L’antibiogramme (diamètre de la zone d’inhibition) et la CMI (plus petite concentration sans croissance) classent une souche sensible ou résistante, par comparaison au seuil propre à chaque antibiotique.
- Pour mesurer le taux d’apparition des résistances : un clone sensible, un dénombrement par dilutions sans antibiotique, un étalement non dilué sur antibiotique, puis résistantes ÷ effectif total.
- L’antibiotique ne crée pas la résistance : il élimine les sensibles, leurs compétitrices, et les mutants résistants prolifèrent ; des traitements successifs ou trop faibles sélectionnent des multirésistances.
- L’usage systématique en santé humaine, vétérinaire et agricole augmente la fréquence des résistances, suivie par des bases de données (ECDC, Santé publique France, Anses) ; une corrélation n’est pas une preuve.
- Les familles d’antibiotiques sont limitées : bon usage (indication, antibiogramme, spectre étroit, dose et durée, associations), hygiène, vaccination et plans en élevage limitent la sélection et la diffusion.
Questions fréquentes
Pourquoi trouve-t-on des bactéries résistantes avant tout traitement ?
Une infection ou une culture compte des milliards de bactéries, qui se divisent toutes les quelques dizaines de minutes. À chaque réplication, des mutations apparaissent au hasard ; certaines, rares, rendent la bactérie résistante. Avec une fréquence de 10⁻⁸ et 10⁹ bactéries, une dizaine de mutants résistants sont déjà présents.
Comment lire un antibiogramme ?
On mesure le diamètre de la zone claire autour de chaque disque d’antibiotique, disque compris, et on le compare au diamètre critique de cet antibiotique : supérieur ou égal, la souche est sensible ; inférieur, elle est résistante. On ne compare jamais les diamètres de deux antibiotiques entre eux. La CMI, plus petite concentration sans croissance, se lit de la même façon.
Comment mesure-t-on le taux d’apparition des résistances ?
On part d’un clone sensible, on le fait grandir sans antibiotique, on dénombre la culture par dilutions sur une gélose sans antibiotique, puis on étale la culture non diluée sur une gélose avec antibiotique, où seuls les mutants résistants poussent. Le taux est le nombre de résistantes divisé par le nombre total de bactéries, pour un même volume.
L’antibiotique rend-il les bactéries résistantes ?
Non. Il élimine les bactéries sensibles et laisse survivre les mutants résistants, apparus au hasard avant le traitement. Débarrassés de leurs compétitrices, ces mutants se multiplient et la population devient résistante : c’est une sélection naturelle. Des traitements successifs ou trop faibles sélectionnent des bactéries multirésistantes.
Pourquoi l’usage des antibiotiques en élevage concerne-t-il la santé humaine ?
Un usage systématique chez les animaux sélectionne des bactéries résistantes, qui peuvent atteindre l’humain par les aliments, les contacts ou l’environnement. La santé humaine, la santé animale et l’environnement sont liés : c’est l’approche « Une seule santé ». En France, l’exposition des animaux aux antibiotiques a baissé de 48,7 % de 2011 à 2024 selon l’Anses.
Comment utiliser les antibiotiques de façon responsable ?
Ne les prendre que contre une infection bactérienne, choisir d’après un antibiogramme un antibiotique à spectre étroit, respecter la dose et la durée, associer plusieurs antibiotiques quand la population bactérienne est immense, se laver les mains et isoler les porteurs de bactéries multirésistantes. Le nombre de familles d’antibiotiques est limité : il faut préserver leur efficacité.
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