Biologie moléculaire
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Au croisement de la génétique, de la biochimie et de la physique, la biologie moléculaire est une discipline scientifique dont l'objet est la compréhension des mécanismes de fonctionnement de la cellule au niveau moléculaire. Le terme « biologie moléculaire » désigne également l'ensemble des techniques de manipulations d'acides nucléiques (ADN, ARN), appelées aussi techniques de génie génétique.
On abrévie l'expression biologie moléculaire en "bio mol" ou "BM".
La biologie moléculaire est apparue au XXe siècle, à la suite de l'élaboration des lois de la génétique, la découverte des chromosomes et l'identification de l'ADN comme support chimique de l'information génétique.
Après la découverte de la structure en double hélice de l'ADN en 1953 par James Watson (1928- ), Francis Crick (1916-2004), Maurice Wilkins (1916-2004) et Rosalind Franklin (1920-1958) la biologie moléculaire a connu d'importants développements pour devenir un outil incontournable de la biologie moderne à partir des années 1970.
Sommaire |
[modifier] Techniques de biologie moléculaire
Depuis la fin des années 1950 et le début des années 1960, les biologistes moléculaires ont appris à caractériser, isoler et manipuler les composants moléculaires des cellules et des organismes. Ces composants incluent l'ADN, support de l'information génétique, l'ARN, proche de l'ADN dont les fonctions vont de la copie provisoire d'ADN jusqu'aux réelles fonctions structurelles et enzymatiques et qui est une partie fonctionnelle et structurelle de l'appareil traductionnel, et les protéines, molécules structurelles est enzymatiques les plus importantes des cellules.
[modifier] Clonage d'expressions
Une des techniques les plus élémentaires en biologie moléculaire pour étudier le rôle des protéines est le clonage d'expressions. Dans cette technique, le codage ADN pour la protéine qui nous intéresse est cloné en utilisant la réaction en chaîne par polymérase (PCR en anglais pour Polymerase Chain Reaction) et/ou des enzymes de restriction dans un plasmide (qu'on appelle vecteur d'expression). Ce plasmide peut avoir des éléments de séquences promotrices spéciales pour diriger la production de la protéine en question et peut aussi avoir des marqueurs de résistance antibiotique pour aider à suivre le plasmide.
Ce plasmide peut être inséré dans des cellules, soit de bactérie, soit d'animal. Introduire de l'ADN dans des cellules bactériennes est appelé transformation, et cela peut être complété de plusieurs manières : électroporation, microinjection, consommation passive et conjugaison. Introduire de l'ADN dans des cellules d'eucaryotes, telles que des cellules animales, est appelé transfection. Plusieurs techniques différentes de transfection sont disponibles : transfection calcium phosphate, transfection de liposomes, réactifs de transfection propriétaires tels que le Fugene. L'ADN peut alors être introduit dans les cellules en utilisant des virus ou des bactéries pathogènes comme transporteurs. Dans de tels cas, la technique est appelée transduction virale/bactérienne, et les cellules sont dites transduites.
Dans les deux cas, le codage ADN pour la protéine qui nous intéresse est maintenant à l'intérieur d'une cellule, et la protéine peut maintenant s'exprimer. Une variété de sytèmes, tels que des promoteurs inductibles et des facteurs spécifiques signalant les cellules, sont disponibles pour aider la protéine qui nous initéresse à s'exprimer à haut niveau. De grandes quantités de protéines peuvent alors être extraites de la cellule bactérienne ou eucaryote. La protéine peut être testée pour connaître son activité enzymatique dans une variété de situations, elle peut être cristallisée pour qu'on puisse étudier sa structure tertiaire, ou, dans l'industrie pharmaceutique, on peut étudier l'activité de nouveaux médicaments sur la protéine en question.
[modifier] Réaction en chaîne par polymérase
Voir l’article Réaction en chaîne par polymérase.La réaction en chaîne par polymérase (PCR en anglais, pour Polymerase Chain Reaction) est une technique extrêmement flexible de copie d'ADN. En gros, la PCR permet à une simple séquence d'ADN d'être copiée des millions de fois, ou d'être altérée par des moyens prédéterminés. Par exemple, la PCR peut être utilisée pour introduire des sites d'enzymes de restriction, ou pour muter (changer) des bases particulières de l'ADN. La PCR peut aussi être utilisée pour déterminer si un fragment particulier d'ADN se trouve dans une bibliothèque d'ADN complémentaires. La PCR a de nombreuses variations, comme la PCR à transcription inversée (RT-PCR en anglais pour Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction) pour l'amplification de l'ARN, et, plus récemment, la PCR temps réel (qPCR) qui permet des mesures quantitatives de molécules d'ADN et d'ARN.
[modifier] Électrophorèse
Voir l’article électrophorèse.L'électrophorèse est un des principaux outils de biologie moléculaire. Le principe de base et que l'ADN, l'ARN et les protéines peuvent être séparées par des champs électriques. Dans l'électrophorèse en gel d'agarose, l'ADN et l'ARN peuvent être séparées par la taille en faisant circuler l'ADN à travers un gel d'agarose. Les protéines peuvent être séparées par la taille en utilisant un gel dit SDS-PAGE. Les protéines peuvent aussi être séparées par leur charge électrique, en utilisant ce qu'on appelle un gel isoélectrique.
[modifier] Southern blot
Voir l’article Southern blot.Nommé ainsi d'après le nom de son inventeur, le biologiste Edwin Southern, le southern blot est une méthode pour sonder la présence d'une séquence précise d'ADN à l'intérieur d'un échantillon d'ADN. Des échantillons d'ADN avant ou après digestion par un enzyme de restriction sont séparés par électrophorèse et transférés sur une membrane par marquage via action capillaire. La membrane peut alors être testée en utilisant une sonde ADN marquée avec un complément de la séquence en question. À l'origine, la plupart des protocoles utilisaient des marqueurs radioactifs ; cependant, maintenant, il existe des possibilités de marquages non radioactifs. Le Southern blot est utilisé moins souvent dans les laboratoires, du fait que la PCR permet déjà de détecter des séquences ADN spécifiques à partir d'échantillons d'ADN. Cependant, ces marquages sont encore utilisés pour certaines applications, telles que la mesure du nombre de copies transgéniques dans les souris transgéniques, ou dans l'ingéniérie de lignes de cellules souches embryonaires à gènes invalidés.
[modifier] Northern blot
Voir l’article Northern blot.Même technique que le Western blot mais appliquée cette fois-ci à l'ARN. Les molécules d'ARN est séparées par électrophorèse sur gel d'agarose puis transféré sur membrane.
[modifier] Western blot
Voir l’article Western blot.Séparation des protéines par électrophorèse SDS-PAGE uniquement en fonction de leur taille (le SDS_sodium dodécylsulfate_ dénature les structures tertiaire et quaternaire des protéines et les charges toutes négativement), puis transfert des protéines séparées sur membrane pour les rendre accessibles à divers marquages immunologique ou autres.
[modifier] Puce à ADN
Voir l’article Puce à ADN.Une puce à ADN est une collection de petites taches reliées à un support solide tel qu'une lame de microscope ; chaque tache contient une ou plusieurs molécules d'ADN. Les puces permettent de regrouper un grand nombre de taches minuscules (d'un diamètre de 100 microns) sur une simple lame ; si chaque tache contient une molécule d'ADN correspondant au complémentaire d'un simple gène, on peut analyser, dans un organisme, l'expression génétique de chaque gène en une seule expérimentation. Par exemple, la levure commune de boulanger, saccharomyces cerevisiae, contient environ 7000 gènes ; avec une puce à ADN, on peut mesurer quantitativement comment chaque gène s'exprime, et comment son expression change, par exemple, quand on change la température.
Il y a plusieurs manières différentes de fabriquer des puces à ADN ; les plus courantes sont les puces à silicium, lames de microscope dont les taches ont 100 microns de diamètre, les puces qu'on peut adapter à ses besoins, et celles avec des taches plus grosses sur des membranes poreuses (macropuces).
Les puces peuvent aussi être fabriquées pour des molécules autres que l'ADN. Par exemple, une puce à anticorps peut être utilisée pour déterminer quelle protéine ou bactérie est présente dans un échantillon de sang.
[modifier] Technologie abandonnée
Au fur et à mesure que de nouvelles procédures et de nouvelles technologies sont devenues disponibles, les anciennes sont rapidement abandonnées. Des exemples typiques sont les méthodes pour déterminer la taille des molécules d'ADN. Avant l'électrophorèse, avec agarose et polyacrylamide, on calculait la taille de l'ADN par sédimentation dans des gradients sucrés, une technologie lente et laborieuse nécessitant une instrumentation coûteuse ; et avant les grandients sucrés, on utilisait la viscométrie.
Indépendamment de leur intérêt historique, il est intéressant de connaître les anciennes techniques car cela peut être utile pour résoudre des problèmes particuliers.
[modifier] Histoire
La biologie moléculaire est apparue dans les années 1930, le terme n'ayant cependant été inventé qu'en 1938 par Warren Weaver. Warren Weaver était à l'époque directeur des Sciences Naturelles pour la Fondation Rockefeller et pensait que la biologie était sur le point de vivre une période de changements significatifs étant données les avancées récentes dans les domaines tels que la diffractométrie de rayons X. Il a donc investi des sommes importantes provenant de l'Institut Rockefeller dans les domaines biologiques.
[modifier] Liste de quelques biologistes moléculaires connus
- Francis Crick
- James D. Watson
- Maurice Wilkins
- Erwin Chargaff
- Rosalind Franklin
- Max Perutz
- Susumu Tonegawa
- Christiane Nüsslein-Volhard
- Frederick Sanger
- François Jacob
[modifier] Voir aussi
- ADN - ARN - Protéine
- Central dogma
- Code génétique
- ADN recombinant
- Techniques de biologie moléculaire
[modifier] Liens externes
[modifier] Bibliographie
- Michel Morange, Histoire de la biologie moléculaire, Éditions La Découverte, 2003.
- Christophe Ronsin, L'histoire de la biologie moléculaire (Pionniers & héros), De Boeck Université, 2005 ;
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