Fiche explicative de la leçon: Technologies moléculaires Biologie • Troisième année secondaire

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment décrire le processus des machines à gênes et de l’hybridation d’ADN, et rappeler quelques applications de ces technologies moléculaires.

L’ADN est une énorme molécule ! Chez l’homme, l’ensemble de l’ADN fait environ 3,2 milliards de paires de nucléotides, et chez les chimpanzés, il fait environ 3,1 milliards de paires de nucléotides. Cela peut vous surprendre, mais les humains partagent de leur ADN avec les chimpanzés ! Nous connaissons ce nombre grâce à la technologie moléculaire.

Le terme « technologie moléculaire » est vaste et désigne différentes techniques de laboratoire pour étudier ou modifier l’ADN, l’ARN ou les protéines. Différents types de technologies moléculaires sont disponibles pour aider à faire progresser la médecine, l’agriculture, la médecine légale et de nombreux autres domaines. Par exemple, vous vous rappelez peut-être que la recombinaison d’ADN implique l’association de deux ADN sources pour créer de nouvelles informations génétiques. C’est un type de technologie moléculaire qui peut être utilisé pour fabriquer de l’insuline pour traiter le diabète, en insérant le gène de l’insuline chez des bactéries.

Dans cette fiche explicative, nous allons passer en revue quelques exemples de technologie moléculaire, à savoir la bioinformatique, les machines à gènes et l’hybridation d’ADN.

Les humains partagent de leur ADN avec les chimpanzés. Comment savons-nous cela ? 

L’une des méthodes pour savoir si deux organismes sont apparentés consiste à étudier leur morphologie, c’est-à-dire leurs caractéristiques physiques, et rechercher des similarités. La structure osseuse de notre main ressemble plus à celle d’un chimpanzé qu’ à celle d’une grenouille. A partir de là, nous pouvons dire que nous sommes plus étroitement liés aux chimpanzés qu’aux grenouilles. En plus de la morphologie, une autre façon d’étudier les liens évolutifs entre les organismes est d’étudier leurs similitudes moléculaires, ce qui peut être fait en comparant des séquences d’ADN ou de protéines.

La bioinformatique est une discipline qui associe la biologie et l’informatique, ce qui permet d’analyser d’énormes quantités de données biologiques. Les génomes des humains et des chimpanzés sont extrêmement longs, et les comparer manuellement serait presque impossible ! En utilisant des ordinateurs, nous pouvons aligner ces deux séquences et voir ce qui est similaire et ce qui est différent. Un exemple est représenté en figure 1 ci-dessous.

Dans le cas des humains et des chimpanzés, il n’y a qu’environ de différence entre nos séquences d’ADN. Cela montre un fort lien évolutif entre les chimpanzés et nous.

La bioinformatique peut également être utilisée pour comparer les séquences protéiques des organismes. L’insuline est une hormone impliquée dans la régulation du taux de sucre dans le sang et qui se trouve chez de nombreux organismes. Rappelez-vous qu’une protéine est une suite d’acides aminés, chacun pouvant être représenté par des lettres.

Au cours de l’évolution, le gène de l’insuline a accumulé aléatoirement des mutations qui pouvant changer cette séquence d’acides aminés. Comme cela peut prendre beaucoup de temps, les organismes qui sont plus éloignés les uns des autres auront plus de différences dans leurs séquences protéiques. Vous pouvez voir cela en figure 2, où il y a plus de différences entre l’insuline de poulet et l’insuline humaine qu’entre celle de chimpanzé et celle humaine. Cela suggère que les humains et les chimpanzés sont plus proches que les humains et les poulets.

La bioinformatique a permis d’en savoir plus sur notre passé évolutif et est un exemple puissant de technologie moléculaire. Cependant, supposons que nous voulons faire des copies du gène de l’insuline afin de l’étudier en laboratoire. Comment pourrions-nous faire cela ? 

Rappelez-vous que lorsqu’une protéine est produite dans une cellule, la séquence nucléotidique de l’ADN est transcrite en ARNm, et cette séquence d’ARNm est ensuite traduite par un ribosome en une chaîne polypeptidique, autrement dit en séquence protéique. Lorsque nous voulons partir d’une protéine pour synthétiser un gène, nous pouvons utiliser la technologie pour effectuer ce processus en sens inverse.

Avec une machine à gènes, il est possible de synthétiser un gène en entrant simplement la séquence protéique dans un ordinateur ! Ce processus comporte plusieurs étapes.

La première étape consiste à sélectionner une protéine d’intérêt. Dans cet exemple, nous choisirons l’insuline de poulet, l’insuline humaine et celle du chimpanzé, représentées en figure 3. Pour faire plus simple, concentrons-nous sur une région plus petite la séquence, les 14 acides aminés qui présentent le plus de différences. Ces séquences sont surlignées en jaune sur la figure 3 ci-dessous.

L’étape suivante consiste à déterminer la séquence d’ADN à partir de la séquence de la protéine. Vous vous rappelez peut-être qu’un groupe de trois nucléotides de l’ARNm, appelé codon, est traduit en un seul acide aminé, déterminé selon le code génétique. Ainsi, afin de déterminer la séquence d’ADN depuis la séquence protéique, nous devons d’abord déterminer la séquence d’ARNm. Vous pouvez voir le résultat en figure 4, ci-dessous.

Maintenant que nous avons nos séquences d’ADN pour cette section d’insuline, à l’étape suivante, nous pouvons entrer cette séquence dans la machine à gènes. La machine à gènes synthétise ensuite de courtes molécules d’ADN appelées oligonucléotides qui peuvent être utilisées pour assembler le gène complet. Les oligonucléotides sont de courts morceaux d’ADN ou d’ARN produits par synthèse, qui sont généralement simple brin. Ils peuvent avoir de nombreuses applications en technologie moléculaire et, dans les machines à gènes, ils peuvent être liés pour former le gène entier.

Le gène entier peut être assemblé par une machine à gène car les oligonucléotides se chevauchent. Un oligonucléotide sera assemblé dans le sens – une fois la séquence du gène entrée, tandis qu’un autre oligonucléotide sera assemblé dans le sens opposé. Les oligonucléotides peuvent ensuite servir de matrice pour la synthèse d’ADN grâce à une technique spécialisée appelée réaction en chaîne par polymérase (PCR). Au cours de cette étape, de l’ADN double brin est fabriqué à partir des oligonucléotides simple brin. Vous pouvez voir tout cela sur la figure 5 ci-dessous.

La technologie de base des machines à gènes a été développée par Har Gobind Khorana, qui a été la première personne à assembler un gène synthétique dans les années 70. Les étapes globales de la production de la séquence d’ADN d’un gène à partir d’une séquence protéique avec une machine à gènes sont indiquées sur la figure 6 ci-dessous.

Les machines à gènes peuvent être utilisées pour fabriquer n’importe quel gène ! Mais il faut noter qu’il leur manque les introns, ou ADN non codant, qui peuvent être trouvés dans le gène naturel. Les machines à gènes peuvent aussi être utiles pour étudier le fonctionnement des protéines. Par exemple, nous pourrions changer un seul nucléotide qui changerait un acide aminé dans le gène de l’insuline et examiner l’effet que cela a sur la fonction de la protéine.

Maintenant, intéressons-nous à une propriété importante de l’ADN appelée l’hybridation, qui peut être utilisée en technologie moléculaire.

L’ADN est une molécule double brin qui est maintenue par des liaisons hydrogène entre les nucléotides complémentaires des brins opposés, comme le montre la figure 7 ci-dessous. Lorsque l’ADN est chauffé à des températures élevées (généralement à – ), les liaisons hydrogène qui relient les deux brins peuvent s’affaiblir et rompre, donnant deux brins simples. L’ADN simple brin est instable. Lorsqu’il est refroidi rapidement (à – ), il peut s’apparier à son brin complémentaire par liaison hydrogène, formant à nouveau de l’ADN double brin.

Les sources des deux brins d’ADN ne sont pas obligées d’être les mêmes, donc l’un pourrait provenir d’ADN humain et l’autre d’ADN de chimpanzé. L’ARN peut également s’apparier à un brin d’ADN simple complémentaire. La possibilité de mélanger les ADN simple brin provenant de deux sources ou de mélanger de les ADN et ARN simple brin peut être utilisée pour produire des molécule hybrides. C’est ce qu’on appelle l’hybridation.

Parfois, pendant l’hybridation, les deux séquences ne sont pas complètement complémentaires. Dans ce cas, les nucléotides non complémentaires ne formeront pas de liaisons hydrogène donc ne s’apparieront pas. Un nombre élevé de nucléotides complémentaires, et donc de liaisons hydrogène, fait que l’interaction est plus forte entre les deux séquences et nécessite une température plus élevée pour les séparer. Cette propriété peut être utilisée pour évaluer la similitude des séquences de deux molécules d’ADN.

En revenant à notre exemple des gènes de l’insuline du poulet, de l’Homme et du chimpanzé, nous pouvons appliquer cette notion de l’hybridation pour voir à quel point les séquences sont similaires les unes aux autres. En chauffant l’ADN d’un segment du gène de l’insuline du poulet et un de l’Homme, puis en refroidissant rapidement le mélange, deux brins d’ADN simple vont s’hybrider. Vous pouvez le voir sur la figure 8 ci-dessous.

L’exemple ci-dessus montre comment l’ADN du gène de l’insuline humaine et celui du poulet s’hybrident, et la même chose peut être faite pour l’ADN humain et celui du chimpanzé. Les hybridations entre l’Homme et le poulet et entre l’Homme et le chimpanzé sont illustrées en figure 9 ci-dessous. Nous pouvons voir qu’il y a plus de liaisons hydrogène entre le gène de l’insuline humain et celui du chimpanzé qu’entre le gène humain et celui du poulet. Par conséquent, une température plus élevée serait nécessaire pour séparer les ADN de l’Homme et du chimpanzé. Ce degré d’hybridation plus élevé indique également que l’insuline humaine est plus étroitement liée à l’insuline de chimpanzé qu’à l’insuline de poulet.

Exemple 4: Utiliser l’hybridation de l’ADN pour évaluer les liens évolutifs

L’hybridation d’ADN peut être utilisée pour aider à déterminer le lien évolutif entre deux espèces, ce processus a été simplifié et est décrit sur le schéma ci-dessous. Lorsque les brins d’ADN s’hybrident, ils forment des liaisons hydrogène entre toutes les paires de bases qui sont complémentaires. Un X sur la figure indique qu’une liaison hydrogène ne s’est pas formée.

Laquelle des propositions suivantes est l’hypothèse sur laquelle les scientifiques basent cette technique ? 

1. Les ADN provenant de deux espèces différentes formeront plus de liaisons hydrogène si ces deux espèces sont étroitement liées.
2. Les ADN provenant de deux espèces différentes formeront moins de liaisons hydrogène si ces deux espèces sont étroitement liées.
3. Le nombre de liaisons hydrogène formées dans l’ADN hybride n’indique pas à quel point ces espèces sont étroitement liées.

Réponse

L’ADN est une molécule double brin, composée de nucléotides qui s’associent entre eux selon les règles d’appariement des bases complémentaires. Cette association se fait grâce à des liaisons hydrogène reliant les deux brins d’ADN.

Ces liaisons hydrogène peuvent être rompues en chauffant la molécule d’ADN à des températures élevées. En brisant ces liaisons hydrogène, les deux ADN simple brin sont séparés. Après refroidissement, ces deux brins peuvent de nouveau former des liaisons hydrogène entre leurs bases complémentaires pour former la molécule double brin. Ce processus s’appelle l’appariement. Nous pouvons lier deux ADN (ou ARN) de sources différentes pour former un hybride.

Si deux séquences d’ADN sont similaires, alors elles formeront des liaisons hydrogène entre les nucléotides complémentaires de leurs brins. Plus les séquences sont similaires, plus il y aura de liaisons hydrogène entre les deux brins.

Au cours de l’évolution, une espèce peut subir de multiples mutations aléatoires dans son ADN. Comme cela peut prendre beaucoup de temps, les scientifiques partent du principe que les organismes qui sont plus éloignés les uns des autres auront plus de différences dans leurs ADN. Ainsi, si nous comparons la séquence d’ADN d’un humain et d’un poulet (lointainement apparentés) ou d’un humain et d’un chimpanzé (étroitement apparentés), nous verrons plus de liaison hydrogène dans l’ADN hybride humain-chimpanzé : 

Par conséquent, lors de l’hybridation d’ADN, l’ADN provenant de deux espèces différentes formera plus de liaisons hydrogène si ces deux espèces sont étroitement liées.

L’hybridation peut être utilisée dans différentes applications de la technologie moléculaire. Un exemple est celui des puces à ADN. Ce sont des puces minuscules avec plusieurs puits qui contiennent chacun un oligonucléotide unique spécifique à un gène. Une seule puce à ADN peut avoir des milliers de puits et, par conséquent, peut être utilisée pour évaluer des milliers de gènes différents. Aussi appelées microréseaux, elles peuvent être utilisées pour étudier l’expression génique : voir si différents tissus expriment plus d’ARNm, pour un très grand nombre de gènes.

L’ARNm de différents tissus peut être marqué avec différents marqueurs fluorescents. Par exemple, l’ARNm de tissu normal peut être marqué en vert, et l’ARNm d’une tumeur peut être marqué en rouge. Lorsque ces échantillons sont combinés et chargés dans une biopuce pour s’hybrider, chaque puits émet une fluorescence en fonction du nombre d’ARNm verts ou rouges présents. Ainsi, si la tumeur exprime un ARNm particulier plus que le tissu sain, alors le puits pour ce gène correspondant sera plus rouge. C’est ce que montre la figure 10.

Récapitulons maintenant les points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.