Annexe 14

4.4 Le génie génétique et la biotechnologie (5heures)

4.4.1 Résumer l’utilisation de l’amplification en chaîne par polymérase (ACP) pour copier et

amplifier de minuscules quantités d’ADN(2)

L’ACP (amplification en chaîne par polymérase) *ou PCR (polymerase chain reaction)] est une technique qui a mérité un prix Nobel de chimie en 1993 à son découvreur, Dr. Kary Mullis (voir figure 1), un scientifique américain. L’ACP est utilisé lorsque les chercheurs veulent étudier une section en particulier de l’ADN, car ils ont

besoin de plusieurs copies identiques de cette séquence. La méthode traditionnelle demandait

beaucoup de temps et de travail (et impliquait de faire reproduire l’ADN par des plasmides, alors que

l’ACP est très facile et très rapide à condition d’avoir l’appareil.

L’appareil ACP (voir figure 2) va, à l’aide d’enzymes, ouvrir l’ADN pour cibler le brin

codant et ensuite sélectionner les séquences désirées et les photocopier. Chaque

étape se fait à des températures précises que contrôlent aussi l’appareil ACP.

**Écouter les chansons du PCR par Bio-RAD**

Faire l’activité interactive suivante : http://learn.genetics.utah.edu/content/labs/pcr/

4.4.2 Exprimer que, dans l’électrophorèse sur gel, des fragments d’ADN se déplacent dans un

champ électrique et qu’ils sont séparés en fonction de leur taille(1)

L’électrophorèse est un processus auquel la biochimie a souvent recours; il sert à séparer les grosses et les petites

molécules (acides nucléiques et protéines). Plus précisément, ont fait passer un courant électrique dans un gel et les

molécules réagissent différemment en fonction de leur taille et de leur charge.

Une mince couche de gel préparé est disposée dans un petit contenant. Ce gel est fait de plusieurs petits trous qui lui

donnent une microstructure semblable à une éponge et de quelques trous plus grand qui serviront de lieu de dépôt de

l’ADN testé. Le gel et l’ADN sont teintés pour permettre de mieux voir les segments d’ADN à l’issu du test. En faisant

passer un courant électrique dans le gel, les segments contenant des bases azotées sont déplacés (les plus petits iront

plus loin que les gros), et c’est en analysant les déplacements qu’on peut faire concorder l’ADN par exemple d’un lieu de

crime avec celui d’une personne.

Faire l’animation à l’adresse suivante : http://learn.genetics.utah.edu/content/labs/gel/

On utilise l’ACP (PCR) pour faire multiplier la quantité de segments d’ADN afin d’augmenter la taille de l’échantillon.

Figure 1

Figure 2

4.4.3 Exprimer que l’électrophorèse sur gel de l’ADN est utilisée dans le profilage d’ADN(1)

Chaque personne a un ADN unique qui résulte de la combinaison de ses bases azotées (A-C-G-T) et donc on peut

retracer chaque individu grâce au profilage de l’ADN (sauf les jumeaux identiques ou monozygotes, ie issus de la

séparation d’un embryon).

4.4.4 Décrire l’application du profilage de l’ADN pour déterminer la paternité ou dans les

investigations criminelles(2)

On l’utilise l’électrophorèse pour faire du profilage d’ADN afin de déterminer qui est le père d’un enfant lorsqu’il y a des

doutes, ou encore pour identifier lequel parmi plusieurs suspects est le coupable.

Par exemple, sachant qu’un enfant hérite de la moitié des gènes de son père et l’autre moitié de sa mère, son génome

résulte en la combinaison du génome de ces 2 parents (voir figures 3 et 4).

4.4.5 Analyser les profils d’ADN pour tirer des conclusions au sujet de la paternité ou

d’investigations criminelles(3)

Figures 3.1 et 3.2

Figures 4.1 et 4.2

4.4.6 Résumer trois conséquences du séquençage du génome humain complet(2)

Le Projet génome humain a été entrepris en 1990 par plusieurs scientifiques à travers le monde dans le but de

déterminer le locus et la structure de tous les gènes de tous les chromosomes humains. Toutes ces informations ont

ensuite été mises en commun et c’est en l’an 2000 qu’un «brouillon» a été publié. En 2003, soit 50 ans après que la

structure de l’ADN fut décrite par Watson et Crick (en 1953), l’humain avait décodé 99.9% de son génome.

Avoir une carte de l’endroit où l’on retrouve les différents nucléotides a ensuite conduit à faire une carte semblable des

différents gènes, finalement à faire une liste et une carte du locus de chacun de ces gènes. Il était essentiel de se rendre

jusqu’au locus car le fait de connaitre les bases azotées ne nous dit pas s’il s’agit de molécules codant pour la couleur

des yeux ou pour la forme des oreilles.

Voici les conséquences du séquençage du génome humain complet :

- une meilleure compréhension des maladies génétiques (nous

connaissons beaucoup plus de gènes responsables depuis le

séquençage);

- la production de nouveaux médicaments (basés sur des

séquences d’ADN) pour guérir des maladies ou un avancement du

génie génétique pour enlever des gènes causant des maladies;

- déterminer les maladies génétiques pouvant affecter certains

individus et donc faire de la prévention;

- la recherche sur des maladies précises est facilitée par la capacité

à cibler seulement les gènes pertinents;

- nous procurer plus d’information sur l’évolution en comparant

les gènes de différentes espèces.

Autant cette information est très utile, autant elle peut être la cause d’abus ou de problèmes éthiques que la société

devra adresser. Par exemple une compagnie d’assurance pourrait refuser d’assurer les personnes ayant certains gènes

programmant certaines maladies, ou encore des employeurs pourraient refuser d’employer quelqu’un sous prétexte

qu’il porte des gènes qui le feront devenir moins rentable pour l’entreprise (par arrêt de travail)…

Figure 5. Watson et Crick en 1953 avec leur modèle de la double hélice d’ADN

4.4.7 Exprimer que, quand des gènes sont transférés d’une espèce à une autre, la séquence des

acides aminés des polypeptides traduite à partir de ces derniers reste inchangée parce que le code

génétique est universel(1)

Le terme «génie génétique» fait référence à la manipulation délibérée de

matériel génétique. Parce que le code génétique est universel, il est

possible de transférer une section d’ADN d’une espèce dans une autre

espèce. Cela signifie aussi qu’un codon (triplet de bases azotées sur un

ARN messager, voir section 3.5) code pour le même acide aminé, peut

importe que ce soit dans une tomate ou dans une pieuvre.

Cela signifie aussi qu’on peut introduire un gène humain dans une

bactérie pour lui faire produire de l’insuline (une hormone (les hormones

sont toutes des protéines) responsable de faire baisser le taux de glucose

sanguin). En France depuis 10 ans, les diabétiques insulinodépendants

reçoivent donc des injections d’insuline venant de bactéries

génétiquement modifiées1.

«Jusque dans les années 80, l’insuline destinée aux malades était d’origine

animale : on abattait des porcs ou des bœufs avant de leur retirer le

pancréas et d’en extraire cette hormone, qu’on tentait de purifier le

mieux possible.»1

4.4.8 Résumer une technique fondamentale pour le transfert de gènes qui implique les plasmides,

une cellule hôte (bactérie, levure ou autre cellule), des enzymes de restrictions (endonucléases) et

l’ADN-ligase(2)

Le transfert de gènes d’un individu à un autre nécessite les éléments suivants :

- vecteur - cellule hôte

- enzymes de restriction - ADN ligase

Le «vecteur» sert à transporter le gène dans la cellule hôte, les plasmides sont souvent les vecteurs.

Les bactéries transportent tout leur matériel génétique dans un ADN circulaire, par contre, plusieurs bactéries

possèdent aussi des copies supplémentaires de leur ADN dans la forme de plasmides (voir figure 8). Les plasmides sont

des fragments qui comportent entre 2 et 30 gènes. Lorsque le chromosome de multiplie, les plasmides aussi peuvent se

multiplier (elles peuvent aussi se multiplier à d’autres moments). Une cellule peut donc contenir plusieurs plasmides

identiques.

1. http://www.transfert.net/Des-bacteries-genetiquement [En ligne], 7 mars 2010.

Figure 7. Insuline

Figure 6. Tomate transgénique vs contrôle après 5 semaines.

Ce sont les plasmides qui sont utilisées pour cloner un gène. Voici les étapes (la figure 9 les résume) :

1. Premièrement, on introduit le gène désiré dans le plasmide

2. On implante ce plasmide dans la cellule (ie la bactérie

car les bactéries sont des procaryotes unicellulaires).

3. On fait reproduire ces bactéries; plusieurs auront le

plasmide désiré.

4. On introduit des nucléotides complémentaires

radioactifs au gène désiré pour savoir quelles bactéries

portent les plasmides que nous avons implantés.

5. On met en contact les bactéries aux bons plasmides

avec des enzymes de restriction pour couper le gène

désiré

6. On purifie l’échantillon par électrophorèse (voir 4.4.2).

7. On introduit l’échantillon dans la cellule hôte.

8. L’ADN ligase vient attacher la nouvelle section de l’ADN

à l’ADN d’origine.

Figure 9

Figure 8

La cellule hôte est celle qui recevra le matériel génétique. Par exemple elle est la cellule hôte pour l’exemple avec

l’insuline en 4.4.7.

Les enzymes de restriction (endonucléases) sont responsables de couper certaines sections de l’ADN. Elles sont

naturellement présentes chez les bactéries et leur sont utiles en cas d’infection virale (les virus

peuvent aussi affecter les bactéries). L’enzyme de restriction la plus connue reconnait la

section GAATTC et coupe les 2 brins de l’ADN entre G et A (voir figure 10). On utilise la même

enzyme de restriction pour le donneur et le receveur, ce qui garanti l’espace suffisant dans

l’ADN de l’hôte pour le nouveau gène à introduire.

Figure 10. Enzyme de restriction

Figure 11

4.4.9 Exprimer deux exemples d’usages actuels de cultures ou d’animaux génétiquement modifiés(1)

Le terme OGM fait référence aux «organismes génétiquement

modifiés», qui peuvent être des végétaux ou des animaux. On les

appelle aussi parfois des organismes «transgéniques». C’est en

1994 que le premier OGM a été mis en marché, il s’agit de la

tomate «Flavr Savr» qui était génétiquement modifiée pour rester

fraîche plus longtemps. À cause de divers problèmes

commerciaux, elle n’est plus sur le marché.

Figure 12

Le «maïs Bt» qui est très répandu aux États-Unis, est une

variété de maïs génétiquement modifié. Il contient des gènes

de la bactérie Bacillus thuringiensis (Bt). Le résultat donne des

plants qui produisent une toxine qui les rendent résistants aux

insectes.

Il existe des exemples de souris génétiquement modifiées. Normalement elles n’attraperaient pas la poliomyélite car

elles n’ont pas les récepteurs du virus en surface de leurs cellules. Nous avons donc créé de telles souris pour qu’on

puisse les infecter avec le virus et faire de la recherche sur le développement d’un traitement pour les cas humains de

polio.

Plusieurs personnes à travers le monde, qui se nourrissent presqu’exclusivement de riz, souffrent de carence en

vitamine A qui peut causer la cécité. Les pays les plus atteints sont en Afrique et en Amérique du Sud (voir la carte ci-

dessous).

Figure 14. Carte du monde des carences en vitamines A chez les enfants (2007, UNICEF)

*Écouter la vidéo de l’UNICEF sur la poliomyélite.

Figure 13

Du riz appelé «Golden Rice», une variété contenant des gènes de jonquilles (figure 15) et de bactérie

(ils permettent une plus grande production de béta-carotène, un précurseur de la vitamine A), est un

OGM qui fournit de la vitamine A. Plusieurs environnementalistes et militant anti-mondialisation ont

tenté durement de s’opposer à la distribution ce des plants de riz.

4.4.10 Discuter des avantages et des effets nocifs éventuels d’un exemple de

modification génétique(3)

Le maïs Bt contient des gènes de la bactérie Bacillus thuringiensis (Bt); le résultat est que ces plants produisent une

toxine qui les rend résistants aux insectes, particulièrement à la «pyrale du maïs» (figure 16). Cet insecte appelé

«european corn borer», contrairement à ce que son nom laisse

penser, est aussi présent en Amérique.

Cet insecte ronge les tiges et les feuilles des plants de mais, détruisant

ainsi le système vasculaire de la plante et donc lui coupant sa

circulation d’eau et de nutriments. Le plant devient aussi plus faible

et sa tige ou ses feuilles peuvent casser. (voir figure 17) Les feuilles

sont essentielles à la photosynthèse. Une petite partie des

dommages sont dus au fait qu’il peut aussi manger le maïs en tant

que tel. Le maïs Bt est déjà en usage aux États-Unis et ce depuis

plusieurs années.

Bénéfices du maïs Bt :

- les dommages causés par la pyrale du maïs sont moindres

- le maïs Bt est plus cher, mais la différence de prix est moindre que celui d’une application supplémentaire d’insecticide

- l’agriculteur n’a pas besoin de vérifier aussi souvent ses pousses pour des signes de la pyrale du maïs

- moins d’insecticide signifie moins de risques pour la santé des travailleurs et moins d’impact sur l’environnement

- il semble qu’il y ait moins d’infections fongiques (champignons) donc les taux de mycotoxine (toxine libérée par les

champignons qui se développent sur les plants) sont plus faibles. Les mycotoxines sont difficiles à éliminer, même avec

la cuisson ou la congélation des aliments, et peuvent être dangereuse pour la santé des humains et de tous les animaux.

Figure 15

Figure 16

Effets nuisibles du maïs Bt :

- tue aussi beaucoup d’insectes (mais pas tous)

- les insectes développent une résistance à la toxine Bt car ils y sont exposés tout le temps

- les insectes qui résistent à la toxine Bt rendent inutile l’épandage de l’insecticide Bt (on considérait cet insecticide

comme «relativement» sans danger pour les humains et l’environnement)

- il est difficile de prévenir la pollinisation d’un champ Bt avec un champ biologique

- cela empêchera le producteur de maïs biologique (organic) de vendre ses cultures comme biologiques

- ils peuvent contaminer les espèces sauvages de plantes et les rendre résistants aussi à certains insectes

et donc leur donner un très grand avantage de développement dans leur niche écologique (ils pourraient

se développer beaucoup plus que les autres espèces de l’environnement). Cela résulterait en une perte

de biodiversité.

Figure 17

4.4.11 Définir le terme clone(1)

Un clone est un groupe d’organismes génétiquement identiques ou un groupe de cellules dérivées d’une seule cellule-

mère.

4.4.12 Résumer une technique de clonage faisant appel à des cellules animales différenciées(2)

Le clonage est au centre de la controverse depuis déjà plusieurs années. La technique de clonage à partir de cellules

animales différenciées consiste en la SCNT «somatic cell nuclear transfert» ce qui signifie le transfert de noyau à partir

d’une cellule somatique. Les usages de ces cellules peuvent être divers.

Il existe 2 types de clonage : le clonage reproductif et le clonage thérapeutique.

Clonage reproductif

Il crée un nouvel individu; l’exemple le plus connu est la brebis Dolly, créée par la technique du SCNT. Voici les étapes

pour effectuer un clonage reproductif (voir figure 18):

1. Prendre le noyau d’une cellule somatique (par exemple de la future mère)

2. Retirer le noyau d’un ovule

3. Implanter le noyau du #1 dans l’ovule

4. Donner un petit choc électrique au zygote nouvellement formé pour réactiver son hétérochromatine et

provoquer la division de cette cellule

5. Une fois qu’un amas de cellules est créé, l’implanter dans l’utérus de la mère porteuse

Il est donc théoriquement possible de cloner d’autres espèces. On arrive à cloner avec succès les chevaux, mais les

tentatives avec d’autres espèces donnent de moins bons résultats.

Clonage thérapeutique

Ce type de clonage fait appel à la recherche sur les cellules souches. On fait développer des embryons humains jusqu’à

ce qu’ils deviennent de petites balles de cellules. Alors que les cellules ne sont encore différenciées (pluripotentes ou

totipotentes), la technique du SCNT est utilisée, et de petites quantités de cellules peuvent se diviser et se différencier

en un grand nombre de tissus spécialisés. On utilise souvent des cellules souches de cordons ombilicaux ou des fœtus

issus d’avortements.

Le but du clonage thérapeutique est de faire la «thérapie cellulaire», c’est-à-dire qu’elle vise à remplacer les cellules

malades par des cellules saines.

La transplantation de moelle osseuse pour les patients atteints de leucémie, des nouvelles cellules d’épiderme pour les

grands brûlés, une nouvelle cornée pour certains types de problèmes de vision sont des exemples où le clonage

thérapeutique est utilisé.

Figure 18

4.4.13 Discuter des questions d’ordre éthique du clonage thérapeutique chez l’être humain(3)

Beaucoup de sites Internet existent sur les questions éthiques liées au clonage.

Arguments en faveur du clonage thérapeutique

- la possibilité de guérir des maladies graves grâce à la thérapie cellulaire (leucémie, cancer, diabète)

Arguments en opposition au clonage thérapeutique

- la peur que les recherches mènent au clonage reproductif

- l’utilisation de cellules souches embryonnaires implique la création et la destruction d’embryons humains (même s’il

est possible d’utiliser les embryons venant des OVG qui seraient détruits sinon).

- les cellules souches embryonnaires sont capables de faire beaucoup de divisions cellulaires et peuvent se transformer

en tumeurs.

Une discussion sur les aspects éthique de ce type de clonage n’est pas évidente car les bénéfices désirés par les

scientifiques ne sont pas encore tous réalisés, les bénéfices sont donc potentiels. D’un autre côté, certains désavantages

sont aussi potentiels car nous ne pratiquons pas le clonage thérapeutique à grande échelle. Le débat pourrait consister

plutôt sur une discussion sur l’importance d’évaluer régulièrement les résultats et les impacts des avancées

technologiques.

Plusieurs personnes ont des opinions très arrêtées sur ce sujet, comme tu pourras le voir sur plusieurs sites Internet. Il

n’est pas utile que les gens d’opinions divergentes s’accusent mutuellement de mauvaise représentation de la vérité, ou

d’exclure /inclure sélectivement certaines informations. Il n’est pas non plus très utile pour les gens qui ne connaissent

pas bien la question du clonage et qui cherchent à avoir une opinion fondée lorsque cette personne sait que

l’information est partiale ou partielle. Par exemple un scientifique pourrait être très positif, sans se justifier; tandis

qu’une critique serait très négative.

Au final, tu dois arriver à tes propres conclusions. Souviens toit toutefois que pour le BI, tu dois «comprendre que les

autres, en étant différents, puissent aussi être dans le vrai» (déclaration de mission du BI,

http://www.ibo.org/fr/mission/)

1. http://www.transfert.net/Des-bacteries-genetiquement

Figure 1 : Kary Mullis : http://www.cmu.edu/bio/siss/nominations/images/kary.jpg Figure 2 : station d’ACP : http://www.bio-rad.com/evportal/evolutionPortal.portal?_nfpb=true&_pageLabel=productsPage&catID=2d11dcf8-2dbe-47a5-a1de-8315abd3c17e

Figure 3.1 : http://www.home-dna-test-expert.com/images/Paternity%20Testing.gif Figure 3.2 : http://www.paternite.com/images/test.gif Figure 4.1 : http://oreilly.com/catalog/dbnationtp/chapter/dn_0302.gif Figure 4.2 : http://www.scq.ubc.ca/wp-content/DNAfingerprintassault.gif Figure 5 : http://www.chem.ucsb.edu/~kalju/chem110L/public/tutorial/images/WatsonCrick.jpg Figure 6 : http://www.chimie-sup.fr/OGM_fichiers/image042.jpg Figure 7 : http://www.scientificamerican.com/media/inline/blog/Image/syringe-diabetes-exenatide.jpg Figure 8 : http://www.gnis-pedagogie.org/img/doc2/plasmide.gif Figure 9 : http://www.ag.ndsu.edu/pubs/plantsci/crops/a1219-2.gif Figure 10 : http://www.bio.davidson.edu/COURSES/genomics/method/RFLP1.gif Figure 11 : http://www.eng.auburn.edu/~yylee/che595/Reading%20Assignments/Recombinant%20DNA_files/Making_rDNA.gif Figure 12 : http://i.onmeda.de/tomatenschema.gif Figure 13 : http://www.scq.ubc.ca/quarterly023/GM-crop.gif Figure 14 : http://www.unicef.org/french/progressforchildren/2007n6/images/pfc6_vitamin_a_supplementation_coverage_levels_two_doses.gif Figure 15 : http://crdp.ac-dijon.fr/cddp71/lettre/images_lettre_cd71/jonquille2.png Figure 16 : http://www.sciencesetnature.org/photos_articles/pyrale.jpg Figure 17 : http://www.expertfoncieragricole77.fr/cereales.htm Figure 18 : http://www.planetegene.com/media/illustrations/Clonage-reproductif.JPG