La double hélice qui a tout changé
L’un des avantages (et ils sont peu nombreux) de vieillir est que je peux regarder en arrière et voir comment le monde a changé au cours de ma vie. Il y a eu des changements radicaux dans les transports tels que les voyages spatiaux commerciaux pour lesquels j’attends que des coupons soient proposés. De nouveaux médicaments sont apparus pour traiter des cancers comme la leucémie (qui m’a sauvé la vie), la sclérose en plaques et la COVID. Sans nos téléphones portables et nos ordinateurs, nous devenons des âmes perdues. Il y a cinquante ans, la plupart de ces technologies relevaient de la science-fiction. La société et les médias sont actuellement très focalisés sur l’arrivée de l’intelligence artificielle. Les impacts de l’IA seront probablement sans précédent dans l’histoire humaine, et nous attendons ses bénéfices et ses impacts à la fois avec enthousiasme et appréhension.
Les avancées incroyables qui se produisent dans les sciences biologiques sont cependant rarement mentionnées par les médias ou le public. Depuis l’élucidation de la structure en double hélice de l’ADN par Watson, Crick et Franklin en 1953, notre perception de la vie sur cette planète a complètement changé. L’ADN code pour toutes les fonctions et processus de la vie de la manière la plus incroyable et la plus simple. Seulement quatre substances chimiques, équivalentes à ABCD, fournissent le plan de création de chaque organisme vivant. Si la simplicité est étonnante en soi, la stabilité chimique de l’ADN est inégalée car il peut être récupéré et reconstitué à partir de fossiles vieux de millions d’années.
Comment l’ADN est devenu programmable
Initialement, la plupart des efforts visaient à comprendre comment l’ADN stocke l’information et la traduit en fonctions cellulaires. Aujourd’hui, cependant, nous pouvons modifier les structures de l’ADN pour créer de nouvelles formes d’organismes vivants ou des formes modifiées spécifiques à nos besoins. Être capable de synthétiser de l’ADN dans un tube à essai de manière économique et reproductible, comme décrit par Kary Mullis (1983), a été une étape majeure vers l’ère de la génomique. La méthode a été appelée réaction en chaîne par polymérase (PCR). Dans ce processus simple, le double brin d’ADN est fondu à 94-98°C pour créer deux brins simples. En réduisant la température à 50-65°C, une courte amorce d’ADN peut se lier aux brins simples et lorsque la température est augmentée à 72°C, une enzyme polymérase synthétise deux nouveaux brins d’ADN en ajoutant des nucléotides aux amorces. En utilisant un dispositif automatisé de chauffage et de refroidissement, les étapes sont répétées pendant 20 à 40 cycles en environ 90 minutes. À chaque cycle, les brins sont doublés, produisant des millions de brins qui peuvent ensuite être utilisés à de nombreuses fins.
L’enzyme polymérase a d’abord été isolée de la bactérie E. coli, mais cette enzyme se dégradait à 72°C et devait donc être remplacée après chaque cycle, rendant la PCR longue, fastidieuse et coûteuse. Dans une découverte totalement indépendante réalisée par Brock et Freeze en 1969, une bactérie tolérante à la chaleur a été isolée des sources chaudes du parc national de Yellowstone appelée Thermus aquaticus. À partir de cette bactérie, Alice Chien (dix ans plus tard) a isolé une polymérase thermostable appelée Taq (du nom de la bactérie) qui n’avait pas besoin d’être remplacée. Taq a permis l’automatisation de la PCR, la rendant peu coûteuse et évolutive.
Elle constitue désormais la colonne vertébrale de la biologie moléculaire, alimentant tout, des tests ADN médico-légaux au diagnostic des maladies. Le projet du génome humain, qui a coûté environ 2,7 milliards de dollars sur 13 ans, aurait coûté le double ou le triple sans Taq en raison du travail manuel et du gaspillage de réactifs. Taq a également été un élément clé dans le développement du séquençage de nouvelle génération et a permis de réduire les coûts de ce qui aurait été environ 100 millions de dollars en 2001 à environ 500 dollars en 2023.
La troisième génération de séquenceurs est désormais disponible et comprend des appareils portables, tels que le MinION, qui peuvent être utilisés pour le séquençage de l’ADN dans des lieux aussi éloignés que des sommets de montagnes.
PCR : l’outil qui a lancé la génomique moderne
Les coûts du séquençage continuent de diminuer, et le séquençage est devenu la technique de choix pour la caractérisation et l’identification de tous les spécimens biologiques. Le séquençage de l’ADN permet une identification très précise des relations biologiques entre les espèces et les résultats ont fondamentalement changé l’arbre de la vie et la manière dont nous percevons l’évolution. Il existe de nombreux domaines en biologie que le séquençage a profondément transformés, mais le plus important réside dans notre capacité à démêler la complexité des écosystèmes peuplés de micro-organismes, en particulier les bactéries. Déchiffrer la microbiologie du corps humain (microbiome) reste l’un des plus grands projets scientifiques de la planète. Nous reconnaissons désormais que la moitié des cellules de notre corps sont en réalité des bactéries. Elles contribuent à notre digestion, régulent notre système immunitaire et influencent même notre santé mentale et physique. Le microbiome est considéré comme ayant une importance équivalente à celle de nos principaux organes.
Les trésors qui résident dans le monde microbien ne doivent pas être sous-estimés. Un gramme de sol contient entre 100 millions et 1 milliard de bactéries. Nous savons qu’elles jouent un rôle crucial dans de nombreux processus du sol, mais notre connaissance à leur sujet reste superficielle. Ce qu’elles font en tant qu’individus et en tant que communautés reste un mystère. Cependant, ces informations sont essentielles pour la production alimentaire, la pureté de l’eau et les fonctions environnementales telles que la qualité de l’air.
Nous reconnaissons désormais que la moitié des cellules de notre corps sont en réalité des bactéries. Le microbiome est considéré comme ayant une importance équivalente à celle de nos principaux organes.
De nombreuses bactéries qui restent à découvrir ou à caractériser deviendront des outils inestimables pour des usages encore non prévus. L’exploitation de leur utilisation créera une nouvelle ruée vers l’or dans les sciences biologiques. Une multitude de nouveaux produits inattendus ont déjà été produits grâce aux bactéries. L’insuline, une hormone essentielle pour réguler le taux de sucre dans le sang, est produite grâce à la technologie de l’ADN recombinant depuis 1978. Les ventes de la polymérase Taq ont généré des milliards en royalties et les ventes ne ralentissent pas. L’identification de nouveaux médicaments contre le cancer et d’antibiotiques est rapportée quotidiennement dans les publications de recherche. Des plastiques biodégradables vont être produits à partir des réserves de stockage de nutriments des bactéries appelées polyhydroxyalcanoates (PHA). Des outils d’édition de l’ADN appelés CRISPR se trouvent dans les génomes de 50 % des organismes procaryotes. CRISPR permet de modifier des bases individuelles dans la molécule d’ADN, nous donnant le pouvoir d’éditer l’ADN à volonté. L’édition génétique via la technologie CRISPR a démontré un potentiel significatif dans le traitement de divers troubles génétiques et a reçu une approbation pour le traitement des patients atteints de drépanocytose et de bêta-thalassémie. L’édition génétique devrait créer un marché qui connaîtra une croissance exponentielle. D’importants investissements dans des thérapies basées sur CRISPR pour guérir diverses maladies génétiques et cancers sont en cours.
Libérer le potentiel microbien : quelle est la suite
Des institutions à travers le monde qui détiennent de grandes collections de cultures bactériennes travaillent désormais ensemble pour séquencer l’ensemble de leurs bibliothèques. Leurs résultats permettront d’identifier des millions de nouvelles espèces, et la base de données créée sera un véritable trésor dans lequel nous pourrons sélectionner de nouvelles fonctions biologiques et des capacités synthétiques pour créer de nouveaux produits et développer de nouvelles technologies. Le potentiel lié à l’exploitation des micro-organismes est bien reconnu, mais ne reçoit pas le même niveau d’attention et d’investissement que l’IA. L’utilisation des microbes comme usines biologiques nécessitera une expansion des industries de fermentation et cela demandera des sources importantes de capital. Bien que des fermenteurs à grande échelle pour produire des produits microbiens tels que la bière, le vin, le yaourt, etc. existent depuis des centaines d’années, l’ère à venir nécessitera la gestion d’une diversité beaucoup plus grande d’agents biologiques. À ce jour, l’industrie de la fermentation reste insuffisamment soutenue en matière de formation des expertises requises par les collèges et les universités. Les ingénieurs en fermentation, les physiologistes microbiologiques et les technologues formés sont déjà très demandés. La valeur qui découlera de cette révolution microbienne ne doit pas être sous-estimée.
Pour aller plus loin :
- Chien A, Edgar DB, Trela JM (September 1976). « Deoxyribonucleic acid polymerase from the extreme thermophile Thermus aquaticus ». Journal of Bacteriology. 127 (3): 1550–7. doi:10.1128/jb.127.3.1550-1557.1976. PMC 232952. PMID 8432.
- Mullis, Kary B. « The unusual origin of the polymerase chain reaction. » Scientific American 262, no. 4 (1990): 56-65.d
- Nelson, K. E., Weinstock, G. M., Highlander, S. K., Worley, K. C., Creasy, H. H., Wortman, J. R., Rusch, D. B., Mitreva, M., Sodergren, E. & other authors (2010). A catalog of reference genomes from the human microbiome. Science 328, 994–999.