La biologie moléculaire est un domaine de recherche en constante évolution qui a un impact considérable sur notre compréhension du monde vivant et sur notre capacité à améliorer la santé humaine et l’environnement. Elle cherche à comprendre les mécanismes qui régissent les processus biologiques en étudiant les interactions entre les différentes molécules présentes dans les cellules, notamment les acides nucléiques (ADN et ARN) et les protéines.
Dans cet article, nous vous présentons les différents champs de recherche associés à cette science, ainsi que les grandes avancées technologiques qui ont jalonné l’histoire de la biologie moléculaire depuis les années 1980. Nous vous expliquons aussi comment BGene les utilise pour développer des enzymes et des micro-organismes capables de produire des arômes ou des parfums de manière éco-responsable.
L’ADN et l’ARN, c’est quoi déjà ?
Avant d’aller plus loin, un petit rappel de ce que sont ces deux des molécules essentielles à la vie et qui servent de base à tous les travaux de biologie moléculaire.
L’ADN (acide désoxyribonucléique)
- Il est constitué de deux brins en forme de double hélice.
- Il porte l’information génétique nécessaire au développement, au fonctionnement et à la reproduction des organismes vivants. Les séquences de l’ADN sont transcrites en ARN puis traduites en protéines.
- Il est principalement situé dans le noyau des cellules eucaryotes, mais aussi dans les mitochondries et les chloroplastes (les organites où a lieu la photosynthèse chez les végétaux).
L’ARN (acide ribonucléique)
- Il est généralement simple brin.
- Il transfère l’information génétique de l’ADN vers les ribosomes, de petites particules qui servent de « décodeurs ». Ces ribosomes synthétisent les protéines à l’intérieur des cellules. Il existe différents types d’ARN, dont l’ARN messager (ARNm), l’ARN ribosomique (ARNr) et l’ARN de transfert (ARNt).
- On le trouve dans le noyau et le cytoplasme des cellules.
Ensemble, l’ADN et l’ARN jouent un rôle crucial dans le stockage, le transfert et l’expression de l’information génétique.
Sur quoi travaille-t-on en biologie moléculaire ?
Cette discipline se focalise sur :
- La structure et la fonction des molécules biologiques : les biologistes s’intéressent à la structure tridimensionnelle de ces molécules et à la manière dont cette dernière leur permet d’exercer leurs fonctions spécifiques. Par exemple, elle étudie comment les protéines se replient pour former des enzymes capables de catalyser des réactions chimiques (spoiler pour la suite de l’article, c’est une des spécialités de BGene !)
- L’expression des gènes : évoqué précédemment, il s’agit du processus par lequel l’information génétique contenue dans l’ADN est utilisée pour synthétiser des protéines. C’est un aspect central de la biologie moléculaire. Ce processus implique la transcription de l’ADN en ARN messager, puis la traduction de cet ARN en protéines.
- La régulation de l’expression génique : la biologie moléculaire explore également les mécanismes qui régulent l’expression des gènes (avant donc la « mise en production » des protéines), permettant aux cellules de s’adapter à leur environnement et de se spécialiser.
De tous ces champs différents mais complémentaires émergent des techniques qui ne cessent d’évoluer et de se perfectionner au fil des ans.
Présentation des techniques de biologie moléculaire
Les scientifiques du génie génétique ont de très nombreux outils à leur disposition, qu’il n’est pas nécessaire de tous lister. Néanmoins certains d’entre eux, par les progrès majeurs qu’ils ont permis, méritent que l’on s’y attarde.
L’arrivée de la bio-informatique
A l’origine du monde (c’est à dire avant que les premiers ordinateurs ne voient le jour !), les séquences peptidiques des protéines étaient comparées à la main. Margaret Dayhoff, pionnière dans ce domaine, créa ainsi le premier atlas des séquences protéiques dans les années 1960 en compilant et comparant systématiquement ces données pour identifier les familles de protéines ayant des ancêtres communs.
Mais tout changea à partir de 1978 quand les données commencèrent à être numérisées pour être traitées informatiquement. Dayhoff fut d’ailleurs à l’origine de logiciels comme FASTA et BLAST, encore utilisés aujourd’hui.
La première banque de données sur les protéines (la PIR, pour Protein Information Resource) fut fondée en 1983 aux Etats-Unis, succédant ainsi à l’Atlas de Dayhoff. La première banque de séquences d’ADN, GenBank, vit le jour au Laboratoire National de Los Alamos en Californie en 1982. Elles furent intégrées aux réseaux nationaux américains, ce qui permit aux chercheurs·euses de partager et de sauvegarder leurs séquences via Internet, indépendamment de leurs publications.
Par la suite, d’autres banques de données furent créées pour les séquences de virus, de bactéries et pour le génome humain, ainsi que des banques regroupant des fragments de séquences associés à des fonctions spécifiques, comme des activités catalytiques.
Aujourd’hui, ces banques de données sont essentielles pour construire des arbres phylogénétiques, permettant d’identifier et de déterminer les relations de parenté entre les espèces vivantes.
Mais la bio-informatique ne se résume pas à la collecte de données. Pour en savoir plus sur cette science, lisez l’article que nous lui avons consacré.
La Polymerase Chain Reaction (PCR)
Une révolution dans notre compréhension du vivant. Conçue en 1983 par l’américain Kary Mullis, prix Nobel de chimie en 1993 pour cette invention, il s’agit d’une méthode basée sur les enzymes polymérases qui permet d’amplifier de l’ADN provenant de tissus vivants ou morts, même en quantités infimes.
La PCR a bouleversé la biologie et a ouvert de nouvelles perspectives dans divers domaines tels que l’archéologie, la médecine légale, l’écologie, le diagnostic médical, la génétique, et l’identification de micro-organismes inconnus. Elle a également permis d’analyser l’ADN ancien, comme celui d’ossements d’animaux ou de restes humains datant de milliers d’années, et de réaliser la séquence complète du génome de l’homme de Néandertal disparu il y a 30 000 ans.
Le DNA Shuffling
Apparue en 1994, cette technique sert à créer des gènes artificiels avec des propriétés définies à l’avance. Elle consiste à fragmenter un gène ou une famille de gènes très similaires en petits morceaux puis à les réassembler de manière aléatoire, générant ainsi de nouveaux gènes aux propriétés totalement inédites.
Appliqué aux bactéries, le DNA Shuffling permet la création de microorganismes aux propriétés totalement nouvelles. Il devient donc possible de faire faire « ce qu’on veut » à une bactérie ou à une levure, comme par exemple produire un précurseur d’arôme alimentaire à partir de sucre.
La CRISPR-Cas9
Avec la PCR, cette méthode est probablement la plus grande avancée dans le domaine de la biologie cellulaire et moléculaire moderne.
C’est en 2012 que cette technologie de manipulation rapide du génome a été introduite. Créée par Jennifer Doudna et Emmanuelle Charpentier, CRISPR-Cas9 utilise des molécules d’ARN pour cibler des séquences spécifiques d’ADN et l’enzyme bactérienne Cas-9 pour effectuer les modifications nécessaires. Ce système permet de remplacer n’importe quel gène dans n’importe quel organisme, qu’il s’agisse de bactéries, plantes, animaux ou même primates.
Grâce à sa précision, comparable à celle d’un scalpel, basée sur la complémentarité ADN-ARN, CRISPR-Cas9 permet de corriger des mutations, détruire, remplacer ou réparer des gènes défectueux, ou stimuler l’activité de gènes normaux.
Le design d’enzymes, l’une des nombreuses spécialités de BGene
Depuis 2014, nous concevons des procédés de productions de molécules à haute valeur ajoutée pour nos partenaires de l’industrie cosmétique, pharmaceutique ainsi que pour celle des parfums et fragrances. Notre laboratoire de microbiologie est composé de deux unités distinctes mais complémentaires : le Dry Lab, consacré à la conception de l’écoprocédé pour la production de nos molécules d’intérêt, et le Wet Lab, où le procédé est mis en œuvre pour produire des arômes et fragrances par fermentation de sucres de deuxième génération (entre autres).
C’est dans le DryLab que nos BGeners mettent en œuvre leur savoir-faire en matière de biologie moléculaire, en particulier au travers de notre module Dezyme.
Grâce à une étude fine de la structure moléculaire de chaque enzyme, nous sommes capables de proposer de nombreuses optimisations mais aussi du design d’enzyme de novo. Ce sont ces enzymes qui nous permettront ensuite de passer d’un point A à un point B dans l’ensemble du chemin métabolique des microorganismes que nous utilisons lors de la fermentation.
