Lesson Video: L’ADN en tant que matériel génétique Biologie • Third Year of Secondary School

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Dans cette vidéo, nous allons découvrir les différentes expériences réalisées par des scientifiques au 20ème siècle pour étudier le matériel génétique des êtres vivants. Et nous allons retracer la chronologie jusqu’à la preuve concluante que l’ADN est le matériel génétique.

Chaque être vivant est constitué d’unités individuelles microscopiques appelées cellules. Certains organismes, comme les bactéries, n’ont qu’une cellule et sont donc dits unicellulaires. D’autres organismes, comme les êtres humains, contiennent des milliards de cellules. Quel que soit leur nombre, chaque cellule du corps d’un organisme remplit une fonction très spécifique. Imaginez le corps comme une usine dont les cellules sont les employés. Chaque employé sait exactement quel travail effectuer, et c’est ce qui permet à l’usine de fonctionner correctement. La question est donc de savoir «comment les cellules savent-elles exactement quelle est leur fonction dans le corps?»

Aujourd’hui, bien sûr, nous savons que la réponse est l’ADN. L’ADN, ou acide désoxyribonucléique, est la molécule double brin qui porte l’information génétique dans les cellules de tous les organismes vivants. L’information génétique est ce qui contrôle le fonctionnement de chaque appareil ou système du corps, de leur apparence aux substances qu’ils produisent, jusqu’à leur localisation dans le corps. La fonction la plus importante de l’ADN est cependant de transmettre les informations qu’il porte. Lorsqu’un organisme se reproduit, sa progéniture doit également disposer de l’information génétique pour que ses cellules et appareils puissent fonctionner correctement. Donc, en plus de pouvoir stocker l’information génétique, l’ADN la transmet également d’une génération à l’autre.

Nous avons mentionné plus tôt que nous savons aujourd’hui que l’ADN est le matériel génétique. Mais cela n’a pas toujours été un fait reconnu. Au début du 20e siècle, il était largement admis que l’information génétique était transmise des parents à la progéniture. Les scientifiques savaient que c’était ainsi que les enfants partageaient des caractéristiques avec leurs parents et que c’était peut-être ainsi que certaines maladies génétiques étaient héréditaires. Mais l’information clé manquait. Personne ne savait exactement quelle molécule portait cette information génétique. Dans cette vidéo, nous allons retracer les découvertes et théories scientifiques qui ont amené les gens à comprendre ce que nous savons aujourd’hui, à savoir que l’ADN est le matériel génétique.

Remontons à 1869, lorsque l’ADN a été découvert pour la première fois. En 1869, un scientifique suisse nommé Friedrich Miescher a étudié les cellules immunitaires qu’il avait isolées de bandages usagés d’un hôpital voisin. Il a découvert une nouvelle molécule dans les noyaux de ces cellules immunitaires. Il a constaté que celle-ci était acide et contenait du phosphore. Il a appelé cette molécule nucléine, mais nous savons maintenant qu’il s’agissait en fait de l’ADN. À ce moment, Miescher ne savait pas quelle était la fonction de cette molécule. Plaçons la découverte de Miescher au début d’une frise chronologique. Nous reviendrons chaque fois sur cette chronologie afin de voir comment les scientifiques ont rassemblé leurs découvertes au fil du temps.

Quelques décennies plus tard, deux scientifiques appelés Walter Sutton et Theodor Boveri ont contribué à une autre pièce importante du puzzle. En 1902, Walter Sutton étudiait l’hérédité chez les sauterelles. Et en 1903, Theodor Boveri menait des expériences similaires chez les oursins. Bien qu’ils n’aient pas travaillé ensemble, ils sont tous deux parvenus à une conclusion similaire, de nos jours appelée la théorie chromosomique de l’hérédité. Ils ont proposé que les chromosomes étaient responsables de la transmission de l’information génétique d’une génération à l’autre dans tous les organismes vivants.

Examinons rapidement les chromosomes et comprenons leur fonction. Comme vous pouvez le voir sur ce schéma, les chromosomes sont des structures linéaires retrouvées dans le noyau des cellules. Sutton et Boveri ont tous deux proposé que les chromosomes portaient des gènes et qu’ils étaient copiés et transmis lors de la reproduction des organismes. Nous savons maintenant que les chromosomes sont composés de molécules d’ADN compactées à l’aide de protéines appelées histones. Cependant, lorsque la théorie des chromosomes a été avancée, Sutton et Boveri ne savaient pas si c’était la protéine ou l’acide nucléique qui portait réellement les gènes. Inscrivons également cette théorie dans notre chronologie. Nous pouvons voir que les pièces du puzzle s’assemblent lentement.

Au début des années 1900, plusieurs scientifiques croyaient fermement que les protéines étaient responsables de la transmission de l’information génétique plutôt que l’ADN. Au cours des décennies suivantes, plusieurs expériences fondamentales ont aidé les scientifiques à régler le débat. Retraçons ce cheminement à son début en 1928.

Frederick Griffith était un scientifique anglais qui menait des expériences sur une bactérie appelée Streptococcus pneumoniae. C’est un type de bactérie qui peut provoquer une pneumonie. Il existe plusieurs souches de cette bactérie. Pour son étude, Griffith a sélectionné deux souches très différentes. L’une d’elles était la souche lisse, ou souche S. Les bactéries appartenant à la souche S ont une surface lisse car elles synthétisent un revêtement polysaccharidique lisse sur leur couche la plus externe. L’autre souche était la souche rugueuse, ou souche R. Comme vous l’avez peut-être deviné, ces bactéries n’ont pas de revêtement polysaccharidique à leur surface.

Il y a une autre différence importante entre les souches S et R, ce à quoi Griffith s’est particulièrement intéressé. La souche S est la souche virulente de la bactérie, ce qui signifie qu’elle est capable de provoquer une infection nocive chez d’autres organismes. La souche R, quant à elle, est la souche non virulente et ne provoque pas d’infection nocive.

Voyons comment Griffith a cette information à ses expériences. Il a commencé avec deux groupes de souris. Nous n’utiliserons qu’une seule souris pour représenter chaque groupe. Il a injecté la souche S de bactéries dans le premier groupe de souris et la souche R dans le deuxième groupe. Il a observé que les souris ayant reçu la souche R restaient en bonne santé, mais que les souris ayant reçu la souche S développaient une pneumonie et finissaient par mourir.

Ensuite, Griffith a isolé un groupe de bactéries de la souche S et a utilisé la chaleur pour les tuer ou inactiver. Nous les appellerons la souche S tuée par la chaleur. Lorsque ces bactéries ont été injectées à des souris, les souris sont restées en bonne santé. Cela signifiait qu’une fois tuées par la chaleur, les bactéries de la souche S ne pouvaient plus provoquer de pneumonie chez les souris.

Maintenant, voici la partie intéressante. Griffith a préparé un mélange contenant des bactéries tuées par la chaleur de la souche S morte et des bactéries vivantes de la souche R. Rappelez-vous, selon ses expériences précédentes, aucune d’entre-elles n’aurait dû avoir la capacité de provoquer une pneumonie. Cependant, lorsqu’il a injecté ce mélange à des souris, il a constaté qu’elles ont toutes développé une pneumonie et sont mortes. De plus, lorsqu’il a examiné le sang de ces souris mortes, il a trouvé des bactéries vivantes de la souche S, qu’il n’avait pas injectées. Mais comment est-ce arrivé? Les bactéries de la souche S étaient-elles devenues vivantes et avaient-elles tué ces souris?

Cela peut faire penser à un film d’horreur, mais l’explication est en fait assez simple. Ce qui s’était réellement passé, c’est qu’une mystérieuse «substance» provenant des bactéries de la souche S tuées par la chaleur était entrée dans les bactéries de la souche R, provoquant leur transformation en souche virulente. Cette «substance» avait donné aux bactéries R vivantes la capacité de synthétiser une couche protectrice lisse et de provoquer une pneumonie chez la souris. Ce phénomène, appelé «transformation bactérienne», n’avait encore jamais été observé. Griffith a appelé cette substance mystérieuse le «principe transformant». Inscrivons rapidement les observations de Griffith dans notre chronologie.

Avant de continuer, revenons à la question à laquelle il fallait répondre. Étaient-ce les protéines ou les acides nucléiques qui contiennent l’information génétique ? Alors que l’expérience de Griffith a démontré des résultats incroyablement intéressants, il n’a pas vraiment trouvé de réponse à la question. En 1944, un groupe de trois scientifiques, Avery, MacLeod et McCarty nous a rapprochés de la réponse à cette question. Ils se sont basés sur les résultats de Griffith.

Tout comme Griffith, ils se sont procuré les souches S et R de Streptococcus pneumoniae et ont utilisé la chaleur pour tuer les bactéries de la souche S. Souvenez-vous qu’ils essayaient de déterminer si le principe transformant était une protéine ou un acide nucléique. Vous vous rappelez sans doute qu’il existe en fait deux types d’acides nucléiques: l’ADN et l’ARN. Avery et son groupe ont divisé les bactéries tuées par la chaleur de la souche S en trois groupes. Ils ont ajouté des enzymes à chaque groupe: des protéases au premier, des RNase au deuxième et des DNase au troisième. Les noms de ces enzymes nous donnent un indice sur ce qu’elles font. Les protéases catalysent la dégradation des protéines, la RNase celle de l’ARN et la DNase celle de l’ADN. Cela signifierait que le premier groupe de bactéries de la souche S n’avait pas de protéines, le deuxième groupe n’avait pas d’ARN et le troisième groupe n’avait pas d’ADN.

Ils ont ensuite mélangé chacun de ces groupes avec des bactéries vivantes de la souche R, tout comme Griffith l’avait fait. Lorsqu’ils ont examiné ces mélanges, ils ont repéré des signes de «transformation bactérienne» dans les premier et deuxième groupes. Cependant, dans le troisième groupe, qui n’avait pas d’ADN fonctionnel de la souche S, ils n’ont vu aucun signe de transformation. Cela les a amenés à conclure que le principe transformant de Griffith était en fait l’ADN. Les deux premiers groupes avaient un ADN intact, permettant à la bactérie de se transformer.

Mettons également cette découverte dans notre chronologie. Avery, MacLeod et McCarty venaient de prouver pour la première fois que l’ADN était le principe transformant, et qu’il entraînait la transformation bactérienne. Mais plusieurs scientifiques n’étaient pas convaincus que l’ADN était bien le matériel génétique. En 1952, Alfred Hershey et Martha Chase ont finalement apporté des preuves solides que cette molécule insaisissable était bien de l’ADN. Regardons leurs expériences.

Hershey et Chase ont utilisé des virus appelés bactériophages dans leurs expériences. Ces virus sont appelés bactériophages parce qu’ils infectent des bactéries en y injectant leur matériel génétique. Chaque bactériophage a une enveloppe appelée capside constituée de protéines. Cette capside contient de l’ADN. Rappelez-vous de ce que Friedrich Miescher a découvert en 1869. Il a découvert que la nucléine était une molécule contenant du phosphore. De là, Hershey et Chase savaient que l’ADN contenait du phosphore. Les protéines ne contiennent pas de phosphore. Mais elles contiennent souvent du soufre, alors que l’ADN n’en contient pas. Ils ont utilisé cette différence entre les protéines et l’ADN dans leurs expériences.

Hershey et Chase ont produit deux groupes de bactériophages dans leur laboratoire. Pour le premier groupe, ils ont utilisé un milieu contenant du soufre radioactif. Cela signifiait que la capside protéique dans ces bactériophages contiendrait du soufre radioactif. De même, ils ont utilisé du phosphore radioactif dans le deuxième groupe, afin que tout ADN dans ces bactériophages contienne également du phosphore radioactif. Ils ont ensuite permis à ces bactériophages d’infecter deux groupes distincts de bactéries. Rappelez-vous, ils le font en injectant leur matériel génétique dans les cellules bactériennes.

Une fois les cellules infectées, ils ont agité chaque mélange dans un mélangeur à haute vitesse. Ils ont ensuite placé chaque mélange dans une centrifugeuse. Cela leur a permis de séparer les cellules bactériennes infectées de la part de bactériophages qui était restée à l’extérieur des bactéries. Une fois cela fait, il leur restait deux groupes de cellules bactériennes infectées. Ils ont ensuite vérifié la radioactivité dans ces cellules infectées. Ils ont constaté que les bactéries qui avaient été infectées par des bactériophages contenant des protéines radioactives ne présentaient aucune radioactivité, tandis que celles qui avaient été infectées par des bactériophages contenant de l’ADN radioactif étaient radioactives.

Réfléchissons à ce que cela signifiait. Les bactériophages injectent leur matériel génétique dans les bactéries, ce qui signifie que le reste des bactériophages reste à l’extérieur des cellules bactériennes. Dans le premier groupe de bactériophages, la radioactivité était dans leurs protéines, alors que dans le deuxième groupe, la radioactivité se trouvait dans leur ADN. Le fait que le deuxième groupe de bactéries soit celui qui présentait de la radioactivité après infection démontrait clairement que l’ADN était le matériel génétique injecté dans la bactérie.

Ajoutons cette dernière contribution à la chronologie. Nous pouvons maintenant voir comment, au fil des ans, plusieurs scientifiques ont travaillé ensemble, chaque groupe apportant une nouvelle pièce au puzzle jusqu’à ce qu’une image claire se forme: l’ADN en tant que matériel génétique.

Passons en revue les points clés que nous avons abordés dans cette vidéo. En 1869, Friedrich Miescher a découvert une molécule acide contenant du phosphore dans les cellules immunitaires. Il a appelé cette molécule nucléine. En 1902 et 1903, Sutton et Boveri ont proposé la théorie chromosomique de l’hérédité, qui stipulait que le matériel génétique était contenu dans des structures linéaires appelées chromosomes. En 1928, Frederick Griffith a démontré pour la première fois la transformation bactérienne et a découvert une substance appelée principe transformant. En 1944, Avery, MacLeod et McCarty ont démontré que ce principe transformant était en fait l’ADN. En 1952, Hershey et Chase ont utilisé des bactériophages pour fournir des preuves concluantes que l’ADN est le matériel génétique.