Transcription de vidéo
Dans cette vidéo, nous allons découvrir différentes technologies moléculaires. Nous aborderons la bio-informatique et son utilisation pour étudier les relations évolutives, les machines à gène qui produisent des segments souhaités d'ADN synthétique, ainsi que l'hybridation de l'ADN. Nous allons discuter des avantages de ces technologies et de leurs applications.
Nous commencerons par discuter d’une importante technologie moléculaire appelée bio-informatique. Les humains et les chimpanzés ont une grande partie de leur ADN en commun. En fait, environ 99 pour cent de notre ADN est le même. Alors, comment avons-nous déterminé cela? Eh bien, il nous suffit d’aligner les deux séquences et ensuite de chercher les différences. Le problème, qui est non négligeable, est que la séquence du génome, soit l’ensemble de notre ADN et celui du chimpanzé, fait environ trois milliards de paires de bases. C'est un nombre considérable. Il est peut être facile de l'écrire sur papier, mais pour vous donner une idée, un milliard de secondes représente un peu plus de 31 ans.
Pour nous faciliter la vie, nous utilisons l'un des meilleurs outils jamais élaboré par l'humanité, l'ordinateur. Les ordinateurs peuvent aligner ces séquences et vérifier les discordances beaucoup plus rapidement que n’importe quel humain, ou chimpanzé tant qu’on y est. Ceci est un exemple de ce que peut faire la bio-informatique. Il s'agit d'une combinaison de l'informatique et de la biologie permettant d'analyser des données biologiques volumineuses et complexes, comme notre séquence ADN. Ainsi, à l’aide d’un ordinateur, nous pouvons aligner les quelque trois milliards de paires de bases du génome de l'homme et du chimpanzé, et il nous dira à quel point ils sont similaires dans un délai raisonnable.
La comparaison des séquences d’ADN peut nous en dire beaucoup sur notre relation évolutive avec d’autres espèces, qui peut être étroite ou lointaine. Ainsi, si les humains et les chimpanzés partagent environ 99 pour cent de leur ADN, qu'en est-il d'une autre espèce, comme la poule? Maintenant, si nous incluons une partie de la séquence ADN de la poule, nous constatons qu'il existe davantage de différences. Chez le chimpanzé, une seule paire de bases était différente de l’ADN humain, qui est maintenant souligné en noir, alors qu’il y a cinq paires de bases différentes avec l’ADN de poule. Étant donné que l'ADN entre l'homme et la poule est moins similaire qu’entre l'homme et le chimpanzé, on dit que les humains et les poules sont moins apparentés que les humains et les chimpanzés. En effet, les humains et les chimpanzés ont un ancêtre commun plus récent que celui des humains et des poules, c’est pourquoi les humains et les chimpanzés ont davantage d’ADN en commun.
En plus de regarder les séquences d’ADN, nous pouvons également comparer la séquence des acides aminés dans les protéines pour étudier les relations évolutives. Voici donc une partie de la séquence de l'hormone insuline dans nos trois espèces, et comme pour l'ADN, la bio-informatique peut nous aider à visualiser les différences entre ces séquences. La bio-informatique ne consiste pas seulement à déterminer les relations évolutives. Nous pouvons également l’utiliser pour étudier l’expression des gènes, la façon dont les protéines se replient, ou l’interaction entre des dizaines de milliers de protéines. Nous voulons comprendre les nombreuses choses qui se passent dans une cellule, et l'ordinateur est l'outil idéal pour les découvrir.
Supposons que nous voulions étudier plus en détail la relation évolutive de l’insuline entre ces espèces. Pour ce faire, il existe une autre façon qui consiste d’abord à produire une copie de l’ADN du gène de l’insuline. L’outil qui servira à accomplir ce travail est une machine à gènes. Une machine à gènes est un outil de laboratoire qui synthétise des gènes ou des segments d’ADN à partir d’une séquence inscrite par un ordinateur. Soit vous mettez directement la séquence d’ADN, soit la séquence d’ADN est calculée à partir de la séquence d’acides aminés si vous n’avez que celle-ci. Regardons ce processus plus en détail.
Vous vous souviendrez que l’ADN est transcrit pour former une séquence d’ARNm, qui est ensuite traduite pour former la séquence d’acides aminés d’une protéine. Alors, reprenons les étapes une par une. Voici une partie de la protéine d'insuline, et pour reconvertir cet acide aminé alanine en ARNm, nous devons utiliser une roue de codons. Ainsi, l’alanine est située ici, et le codon correspondant pour l’alanine est GCU. Le prochain acide aminé est la sérine, qui correspond au codon UCU. En complétant avec le reste des codons, on obtient cette séquence d'ARNm.
Maintenant, nous pouvons la convertir en une séquence d’ADN. Rappelez-vous que l’ARNm et l’ADN ont un sens spécifique, alors rajoutons-le. Maintenant, nous allons simplement convertir cette séquence en ADN, sans oublier de remplacer l’uracile dans l’ARNm avec la thymine dans l’ADN. Nous obtenons un seul brin. Maintenant, faisons le second brin complémentaire. Génial! Donc, voilà notre séquence ADN pour un segment de la protéine d'insuline. Comme vous l’avez vu, nous pouvons résoudre tout cela nous-mêmes, mais la machine à gène peut le faire automatiquement à l’aide d’un ordinateur. Ensuite, la machine à gène doit synthétiser cette séquence ADN, en utilisant ce que l’on appelle un oligonucléotide.
Un oligonucléotide est un petit morceau d’ADN ou d’ARN synthétique qui est souvent simple brin. La machine à gène assemble deux oligonucléotides. Le premier correspond à une partie de notre séquence sur un brin, tandis que le deuxième correspond à une autre partie de notre séquence cible sur le brin opposé. Vous remarquerez que nous avons maintenant deux oligonucléotides qui couvrent la longueur de notre séquence ADN cible, c’est à dire une partie du gène de l’insuline. Ce qui manque maintenant, ce sont les séquences à chaque extrémité. Alors, comment les remplir? Vous remarquerez que nous avons une section qui se chevauche où les deux oligonucléotides sont complémentaires. Il s’agit d’une région d’ADN double brin et peut agir comme un site de liaison pour l’enzyme Taq polymérase.
La Taq polymérase est un type d’ADN polymérase, l’enzyme qui joue un rôle dans la réplication de l’ADN pour le préparer à la division cellulaire. Cette enzyme sert à combler ces lacunes et peut également être utilisée pour la PCR, la réaction en chaîne par polymérase. C’est une technique qui fait plusieurs copies de cette séquence cible, ce qui est utile puisqu’il nous en faut beaucoup pour pouvoir l’extraire et l’étudier. Ainsi, la Taq polymérase est capable de générer le brin supérieur en ajoutant des nucléotides complémentaires à l’aide du brin opposé utilisé comme matrice, puis elle se décrochera et se rattachera sur le brin opposé pour combler à son tour l’espace.
Nous avons maintenant notre séquence d’ADN complètement synthétisée grâce à notre machine à gène. Un avantage évident de synthétiser des gènes ou des segments d’ADN avec une machine à gène est sa simplicité d’utilisation. Vous avez simplement besoin d’entrer la séquence protéique de votre protéine préférée et elle synthétisera le gène correspondant. Un autre avantage est que l’ADN synthétisé est dépourvu d’introns. Souvenez-vous que les gènes contiennent souvent des introns, des segments d’ADN non codant qui doivent être épissés de l’ARNm afin d’assembler la séquence codant pour la protéine. Puisque nous entrons la séquence protéique directement dans la machine à gène, nous n’avons pas à nous soucier des séquences non codante.
Maintenant que notre ADN d’insuline a été synthétisé, nous sommes prêts à en apprendre davantage sur la relation évolutive entre notre insuline de l’homme, du chimpanzé et de la poule. Pour ce faire, nous allons découvrir une technologie moléculaire appelée hybridation. L’hybridation est le processus de combinaison de molécules complémentaires d’ADN ou d’ARN simple brin. Les deux molécules d’ADN ou d’ARN ne doivent pas nécessairement provenir de la même source. Ainsi, notre ADN d’insuline humaine pourrait s’hybrider avec notre ADN de poule pour voir à quel point ils sont semblables. Voyons comment cela fonctionne. Donc, voici notre segment d’ADN de l’insuline humaine, où se trouvent entre les deux brins des liaisons hydrogène qui maintiennent les deux brins ensemble.
En chauffant notre ADN généralement à 95 ou 100 degrés Celsius, nous pouvons affaiblir ces liaisons pour les rompre, ce qui provoque la séparation des deux brins en un ADN simple brin. Et maintenant, si nous abaissons rapidement la température à environ cinq à 10 degrés Celsius, les bases complémentaires se coupleront à nouveau pour reformer les liaisons hydrogène. Cette association de molécules complémentaires d’ADN ou d’ARN simple brin est appelée la phase d’hybridation ou d’appariement. Curieusement, ces deux sources d’ADN ou d’ARN ne doivent pas nécessairement être les mêmes. Donc, si nous avions l’ADN correspondant au gène de l’insuline des chimpanzés, nous pourrions hybrider ces deux molécules ADN ensemble. Donc, nous mélangeons ces deux molécules d’ADN ensemble, puis chauffons l’échantillon pour rompre les liaisons hydrogène et former un ADN simple brin. Et maintenant, nous allons refroidir l’échantillon pour permettre aux molécules d’ADN simple brin de s’apparier.
Ainsi, les deux molécules simple brin de l’ADN humain et celles de l’ADN de chimpanzé peuvent se rejoindre et reformer leur molécule d’ADN originale. Mais parfois, l’un des brins d’ADN de chimpanzé s’apparie au brin complémentaire de l’ADN humain. Alors, voyons à quoi ressemble l’hybridation de ces deux brins. Donc, ici, dans cet hybride humain-chimpanzé d’un segment du gène de l’insuline, nous pouvons voir que la plupart de ces bases sont complémentaires les unes des autres et forment des liaisons hydrogène, sauf une. Cette base est différente dans l'ADN du chimpanzé, et il n'y aura donc pas de liaison hydrogène. Ces disparités sont plus marquantes si l’ADN humain s’hybride à l’ADN de poule qui est plus éloigné.
Ici, nous pouvons voir qu’il y a beaucoup plus d'incompatibilités. Puisqu’il y a alors moins de liaisons hydrogène entre l’hybride humain et poule, il faudra moins d’énergie ou une température plus basse pour séparer les deux brins par rapport à l’hybride humain-chimpanzé, qui possède davantage de liaisons hydrogène et nécessitera donc plus d’énergie ou une température plus élevée pour séparer les deux brins. De cette façon, l’hybridation peut servir à déterminer la similitude entre deux séquences d’ADN, afin d’établir des relations évolutives entre les espèces.
Mis à part l’hybridation, il existe également d’autres applications pour étudier l’évolution, dont l’une est appelée puce à ADN. Supposons que vous travaillez dans le domaine du don du sang et que des milliers de personnes ont donné leur sang. Votre travail consiste à dépister ces échantillons pour détecter des maladies infectieuses telles que le VIH ou l’hépatite. Analyser les échantillons un par un prendrait beaucoup de temps. Une puce à ADN est une petite puce utilisée dans les expériences d'hybridation qui pourrait tenir dans la paume de votre main et qui contient des milliers de puits minuscules qui sont comme de petits tubes à essai.
Examinons-en une de plus près. Des oligonucléotides avec une séquence spécifique sont fixés au fond de chaque puits. Puisque nous parlons de maladies infectieuses, ces séquences peuvent être spécifiques à l’hépatite, au VIH ou à tout type de pathogène qui cause cette maladie. Ainsi, notre échantillon de sang est traité pour extraire tout l’ADN ou l’ARN présent dans le sang du donneur, ce qui inclut potentiellement l’ADN ou l’ARN de l’agent pathogène à détecter. Celui-ci est ensuite attaché à un marqueur indiqué ici en vert.
Si l’échantillon contenait l’agent pathogène que nous recherchons, alors son ADN ou son ARN s’apparierait à l’oligonucléotide complémentaire attaché à la puce. Cela émettra une fluorescence qui illuminera le puits correspondant dans la puce à ADN. Nous pouvons voir les résultats ici, chaque point représentant un donneur différent, et les échantillons positifs étant indiqués par un point vert. Ces donneurs ne seraient pas autorisés à donner du sang.
Maintenant, tentons une question pratique en appliquant ce que nous avons appris dans cette vidéo.
L’ADN provenant de différentes sources peut être combiné ou hybridé après une série d’étapes. Tout d’abord, l’ADN double brin est rompu en simples brins. Après cela, comment les simples brins d’ADN de différents organismes peuvent-ils s’apparier les uns aux autres? (A) L’enzyme ADN ligase est utilisée pour catalyser la formation de liaisons peptidiques. (B) L’enzyme DNase est utilisée pour réparer les liaisons covalentes rompues entre les bases. (C) La température augmente rapidement pour fournir l’énergie nécessaire à la formation des liaisons hydrogène entre les bases. (D) Les brins sont physiquement contraints de se lier ensemble. Ou (E) la température est refroidie de sorte que des liaisons hydrogène entre des bases complémentaires puissent se former.
Cette question nous interroge sur les étapes de l’hybridation de l’ADN. Effaçons ces choix de réponse pour avoir la place de travailler. L'hybridation de l'ADN est le processus qui consiste à combiner deux molécules d'ADN ou d'ARN simple brin complémentaires. Elle a de nombreuses applications utiles, par exemple pour déterminer les relations évolutives entre les organismes.
Supposons qu’une nouvelle espèce de singe ait été découverte, que nous appellerons grand pied en raison de leur taille immense, et que nous voulons savoir le degré auquel nous sommes étroitement apparentés. Nous avons un peu de leur ADN, dont une partie est représentée ici, et nous voulons comparer les deux séquences. Nous pouvons le faire par hybridation de l’ADN. Vous remarquerez que les deux brins sont représentés, l'un étant le brin cinq prime à trois prime et l'autre étant le brin trois prime à cinq prime. Vous remarquerez également que ces deux brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène représentées ici par ces lignes noires. Ces liaisons hydrogène maintiennent les deux brins ensemble avec une certaine quantité d’énergie.
En augmentant la température, nous pouvons rompre ces liaisons. Cela permet alors à une molécule d’ADN double brin de se séparer en deux molécules d’ADN simple brin. Le processus inverse peut se produire en diminuant la température. Les liaisons hydrogène peuvent alors se reformer entre les deux brins, et elles peuvent s’apparier ou s’hybrider pour former la molécule double brin. Dans ce cas, les deux brins d’origine se sont réunis dans l’ADN de l’homme et du grand pied. Mais parfois l’ADN du grand pied peut également s’associer à l’ADN humain. Étant donné que les deux séquences ne sont pas identiques, les bases ne vont pas toutes s’apparier.
Maintenant, nous pouvons isoler cet hybridation de l’homme et de grand pied et augmenter la température, et grâce à ces discordances, il est possible d’estimer la similarité des séquences en déterminant l'énergie ou la température nécessaire pour rompre ces brins, ce qui peut servir à décrire une relation évolutive. Pendant l’hybridation de l’ADN, aucune enzyme n’est utilisée, mais seulement les variations de température. Et en abaissant la température, les deux simples brins d’ADN peuvent s’apparier pour former des liaisons hydrogène.
Maintenant, passons en revue certains des points clés que nous avons couverts dans cette vidéo. Il existe de nombreuses technologies moléculaires couramment utilisées. La bio-informatique se base sur des ordinateurs pour évaluer les données biologiques telles que les séquences d’ADN, et peut servir à établir des relations évolutives. Les machines à gène synthétisent des gènes, ou des segments d’ADN, à partir de séquences protéiques. Non seulement l’obtention de séquences ADN est facilitée, mais ces séquences sont également dépourvues de régions non codante. L’hybridation de l’ADN peut être utilisée pour apparier l’ADN ou l’ARN de deux sources différentes. Et cela permet d’établir des relations évolutives entre les espèces ou d’effectuer des techniques spécialisées telles qu’une puce à ADN.
