Pénicilline

La pénicilline est une substance produite par des moisissures du genre Penicillium ; elle tue de nombreuses bactéries en les empêchant de construire leur paroi. Alexander Fleming l'a remarquée en 1928, et une équipe d'Oxford en a fait, pendant la Seconde Guerre mondiale, le premier antibiotique issu d'une moisissure à entrer dans l'usage médical courant.

Ce que c’est

La pénicilline est un antibiotique, c’est-à-dire un médicament qui tue les bactéries ou arrête leur croissance. À la différence des sulfamides de synthèse des années 1930, issus de recherches sur les colorants, elle est produite par un être vivant. Certaines souches de Penicillium, un genre qui comprend les moisissures bleu-vert du vieux pain et des fruits, la fabriquent. Une fois purifiée, la pénicilline est devenue le premier antibiotique issu d’une moisissure que les médecins ont pu employer largement, et elle a changé le pronostic d’infections souvent mortelles comme la septicémie, la pneumonie ou les plaies infectées. La moisissure des aliments, elle, n’est pas un médicament et peut même être nocive.

À gauche, la planche montre la célèbre observation de Fleming : une boîte de verre couverte de colonies bactériennes, sur laquelle une spore de moisissure s’est posée par hasard et a donné une colonie, entourée d’un anneau clair où les bactéries ont disparu. À droite, la moisissure elle-même au microscope. Ses spores poussent en chaînes sur de petites têtes en forme de pinceau, d’où le nom du genre, tiré du latin penicillus, petit pinceau.

Comment ça marche

La plupart des bactéries sont des cellules uniques enveloppées d’une paroi solide qui leur permet de conserver leur forme contre la pression de l’eau qu’elles contiennent. Cette paroi est un treillis de chaînes de sucres reliées par de courts ponts peptidiques. En grandissant et en se divisant, la cellule coupe et reconstruit sans cesse ce treillis.

La pénicilline bloque les enzymes bactériennes qui forment ces ponts. La cellule continue de grandir, mais sa nouvelle paroi est fragile ; l’eau entre et la cellule éclate. Les cellules humaines et animales n’ont pas de paroi de ce genre, ce qui explique que la pénicilline tue les bactéries en épargnant en grande partie les cellules du malade. Au cœur de la molécule se trouve un cycle de quatre atomes très tendu, le cycle bêta-lactame, qui réagit avec ces enzymes et les met hors d’usage.

La pénicilline agit surtout sur les bactéries à paroi épaisse et exposée, comme les streptocoques et les pneumocoques. La bactérie de la syphilis, dont la paroi mince est prise entre deux membranes, y est pourtant très sensible elle aussi. La pénicilline est sans effet sur les virus, qui n’ont pas de paroi du tout.

Les bactéries peuvent devenir résistantes. Certaines fabriquent une enzyme, la pénicillinase, qui coupe le cycle bêta-lactame avant qu’il n’agisse. Chaque utilisation d’un antibiotique favorise les bactéries qui y survivent, et la résistance se répand là où l’on emploie les antibiotiques sans discernement. Fleming en avertissait déjà dans sa conférence Nobel de 1945. Certaines personnes sont en outre allergiques à la pénicilline, parfois gravement. Les antibiotiques sont des médicaments qui ne s’utilisent que sur prescription médicale.

Comment on la fabrique

Entre 1940 et 1945, les façons de cultiver la moisissure, d’extraire le médicament du bouillon et de le doser changèrent plusieurs fois.

Norman Heatley conçut des récipients en céramique de ce genre pour cultiver la moisissure en quantité à Oxford.

La culture en surface à Oxford. L’équipe de Florey cultivait la souche de Fleming, Penicillium notatum, sous forme d’un feutre flottant sur une mince couche de bouillon nutritif. Norman Heatley utilisa d’abord tout ce qui avait un fond large et plat, bassins de lit, boîtes à biscuits et plats à tarte, puis dessina un récipient rectangulaire en céramique qu’on pouvait empiler couché pendant l’incubation. Une faïencerie du Staffordshire, James Macintyre & Co., en fabriqua plusieurs centaines, et les premiers furent ensemencés à Noël 1940. Une petite équipe de jeunes femmes, surnommées les « penicillin girls », semait les spores, soutirait le bouillon une fois que la moisissure y avait libéré sa pénicilline et faisait tourner les récipients jour et nuit.

L’extraction. Le bouillon ne contenait qu’une trace de pénicilline, et le médicament se dégradait en quelques heures à la chaleur ou en milieu acide. Heatley tira parti du fait que la pénicilline est un acide. Acidifiée et maintenue au froid, elle passe du bouillon dans un solvant non miscible à l’eau, d’abord l’éther, puis l’acétate d’amyle, moins inflammable. Agitée avec de l’eau rendue légèrement alcaline, elle repasse dans l’eau sous forme de sel, dans un volume bien plus petit et débarrassée d’une bonne partie des impuretés. Avec des tubes de verre, des flacons et des pompes, Heatley construisit un appareil qui faisait ce travail en continu. La solution concentrée était ensuite lyophilisée en une poudre brune qui se conservait des mois, même si les premiers lots étaient surtout faits d’impuretés.

Le dosage en cylindres de Heatley : plus l’échantillon versé dans un cylindre est actif, plus l’anneau clair qui l’entoure est large.

Le dosage. Tant qu’on ignorait sa structure, on ne pouvait mesurer la pénicilline que par son effet sur les bactéries. Dans le dosage en cylindres mis au point par Heatley, de petits cylindres ouverts sont posés sur une boîte de gélose ensemencée de staphylocoques, et chacun reçoit un échantillon. La pénicilline diffuse dans la gélose ; après incubation, la largeur de l’anneau clair autour de chaque cylindre, comparée à celle d’un étalon, donne la concentration. L’équipe d’Oxford définit ainsi sa propre unité et envoya des échantillons à d’autres laboratoires. En 1944 et 1945, des scientifiques britanniques et américains s’accordèrent sur une unité internationale, égale à 0,6 microgramme de benzylpénicilline sodique pure et proche de l’unité d’Oxford, et préparèrent des échantillons étalons.

La fermentation en cuves profondes, aux États-Unis, fit de la pénicilline un produit industriel.

Les cuves profondes aux États-Unis. Au Northern Regional Research Laboratory de Peoria, Andrew Moyer, avec Heatley, multiplia les rendements par dix environ à la fin de 1941 en ajoutant au bouillon de la liqueur de trempage du maïs, un sous-produit de l’amidonnerie. Le laboratoire essaya des moisissures envoyées du monde entier, et une souche de Penicillium chrysogenum (classée aujourd’hui P. rubens), trouvée sur un melon moisi acheté à Peoria, se révéla la meilleure. Les souches qui en furent tirées, dont des mutants obtenus aux rayons X et aux ultraviolets, firent mieux encore. Le changement le plus important fut de cultiver la moisissure dans toute l’épaisseur du liquide et non plus à sa surface, dans des cuves d’acier fermées, brassées et alimentées en air stérile. Pfizer employait déjà cette méthode pour l’acide gluconique ; le 1er mars 1944 (une source indique 1943), la firme ouvrit à Brooklyn, dans une ancienne fabrique de glace, la première grande usine de pénicilline, avec quatorze cuves de 7 500 gallons américains (environ 28 000 litres) chacune. Un seul microbe égaré pouvait gâter toute une cuve : on stérilisait le bouillon et les cuves avant d’introduire la moisissure, puis l’air et les tuyaux tenaient les autres organismes à l’écart pendant sa croissance.

Les pénicillines semi-synthétiques. La fermentation donne surtout la benzylpénicilline, ou pénicilline G, en particulier quand on ajoute au bouillon de l’acide phénylacétique, que la moisissure incorpore à la molécule. En 1957, des chimistes des Beecham Research Laboratories, dans le Surrey, isolèrent le noyau nu de la molécule, l’acide 6-aminopénicillanique, et publièrent leurs travaux en 1959. En greffant de nouvelles chaînes latérales sur ce noyau, les chimistes obtinrent des pénicillines qui résistent à l’acidité de l’estomac ou à l’enzyme bactérienne appelée pénicillinase, ou qui agissent sur davantage de bactéries, comme la cloxacilline et l’amoxicilline. Aujourd’hui, le noyau est en général détaché de la pénicilline fermentée par une enzyme, et les usines contrôlent l’identité, la pureté et l’activité de chaque lot, et la stérilité des formes injectables, avant sa libération.

Sécurité. Cette section décrit la production en laboratoire et en usine. On ne peut pas fabriquer de pénicilline sans danger chez soi : la moisissure du pain ou des fruits n’en contient que peu ou pas, peut appartenir à des espèces qui produisent des toxines, et une préparation impure peut provoquer une infection grave ou un choc. La pénicilline peut aussi déclencher de graves réactions allergiques ; elle ne s’emploie que sur ordonnance.

Histoire et évolution

On avait remarqué depuis des siècles que certaines moisissures semblaient aider à guérir les plaies, et dans les années 1890 plusieurs chercheurs signalèrent que des moisissures pouvaient freiner les bactéries. Aucune de ces observations n’aboutit à un traitement.

Alexander Fleming, bactériologiste à l’hôpital St Mary de Londres, partit en vacances à l’été 1928. À son retour, début septembre, il remarqua qu’une boîte de staphylocoques avait été contaminée par une moisissure et que les colonies voisines s’étaient effacées. Il cultiva la moisissure, montra que son bouillon tuait de nombreuses bactéries, baptisa la substance active pénicilline et publia ses résultats en 1929. Mais la pénicilline était instable et difficile à extraire, et Fleming ne parvint pas à en obtenir assez sous forme pure pour soigner des malades.

Dix ans plus tard, à Oxford, Howard Florey et Ernst Chain reprirent le problème. Norman Heatley mit au point l’extraction et la concentration de la pénicilline, et l’équipe cultiva la moisissure dans des centaines de récipients. Le 25 mai 1940, ils infectèrent huit souris avec des streptocoques et en traitèrent quatre. Le lendemain matin, les quatre souris non traitées étaient mortes et les souris traitées encore en vie. En février 1941, un policier, Albert Alexander, fut l’un des premiers patients. Son état s’améliora d’abord, mais la réserve s’épuisa et il mourut.

La Grande-Bretagne en guerre ne pouvait pas produire de pénicilline à grande échelle ; en 1941, Florey et Heatley partirent donc aux États-Unis, où un laboratoire public de Peoria, dans l’Illinois, et plusieurs firmes pharmaceutiques reprirent le travail. En mars 1942, les réserves américaines suffisaient à soigner un seul malade. En 1944, les usines en produisaient assez pour les armées alliées, et à partir du 15 mars 1945 elle fut distribuée aux pharmacies américaines par les circuits commerciaux ordinaires.

Fleming, Florey et Chain se partagèrent le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1945. La même année, Dorothy Hodgkin détermina la structure de la pénicilline par cristallographie aux rayons X. Entre-temps, la recherche d’autres antibiotiques avait abouti à la streptomycine, découverte en 1943 ; les tétracyclines et bien d’autres suivirent, et les chimistes créèrent plus tard de nouvelles pénicillines en modifiant la molécule.