Qu'est-ce que le génie génétique ?
Legénie génétique est une méthode scientifique qui permet de modifier le matériel génétique d'un organisme en supprimant, modifiant ou insérant des gènes individuels. Contrairement à la reproduction sélective, il permet de manipuler directement l'ADN d'un organisme pour modifier son phénotype ou ses caractéristiques.
Pour en savoir plus sur les principes de cette méthode, consulte notre article Génie génétique!
Les bactéries et le génie génétique
Les bactéries sont une cible très courante du génie génétique. Cela s'explique par le fait que :
- Les bactéries sont faciles à cultiver
- Les bactéries se reproduisent très rapidement
- Elles peuvent fabriquer des molécules complexes
- Leur matériel génétique utilise le même code que celui de tous les autres organismes
- Leur utilisation ne pose pas les mêmes problèmes éthiques que celle d'autres formes de vie plus complexes.
- Elles possèdent des éléments génétiques mobiles appelés plasmides, qui permettent d'insérer facilement des gènes étrangers dans une cellule.
Figure 1. Micrographie électronique d'Escherichia coli, une espèce bactérienne couramment utilisée dans le génie génétique .
Les scientifiques peuvent, et c'est souvent ce qu'ils font, procéder au génie génétique d'organismes plus complexes que les bactéries, car, en particulier dans des domaines tels que la recherche médicale, la simplicité des bactéries empêche de recueillir les données nécessaires. Un exemple est le génie génétique des rats ou des porcs pour la recherche sur les maladies génétiques humaines. L'homme étant un organisme très complexe et un organisme mammifère (eucaryote), il serait beaucoup plus difficile, voire impossible, de recueillir des données significatives et représentatives à partir de bactéries qui sont des organismes unicellulaires procaryotes.
Sais-tu quelle est la différence entre un eucaryote et un procaryote ? Lis l'article Eucaryotes et procaryotes pour t'en assurer !
Utilisation de l'ADN ligase et de l'ADN recombinant dans le génie génétique
Le génie génétique implique souvent l'utilisation d'ADN recombinant, également connu sous le nom d'ADNr.
L'ADN recombinant (ADNr) est un ADN formé de diverses manières en combinant deux ou plusieurs fragments provenant de deux ou plusieurs sources différentes, formant une séquence qui ne se trouve pas naturellement dans les génomes.
L'une des façons de produire de l'ADNr est d'utiliser une enzyme connue sous le nom d'ADN ligase. Cette enzyme réalise un processus connu sous le nom de ligature, c'est-à-dire l'assemblage de deux fragments d'acide nucléique. La méthode complète de production de l'ADNr dépasse le niveau requis ici, mais voici un bref aperçu du processus d'insertion d'un gène humain dans un plasmide bactérien, puis de l'utilisation de ce plasmide pour faire produire la protéine par les bactéries.
- Le gène humain est isolé du reste du génome, soit par l'utilisation d'enzymes de restriction, soit par amplification par PCR. Même si des enzymes de restriction sont utilisées, la PCR peut également être utilisée pour augmenter la concentration de l'ADN présent. Si l'amplification par PCR est la première étape, elle est ensuite suivie par l'utilisation d'enzymes de restriction.
Les enzymes de restriction agissent comme des ciseaux, coupant l'ADN au niveau de séquences spécifiques, appelées sites de restriction, formant des sections appelées extrémités collantes. Ce processus est connu sous le nom de digestion.
Les extrémités collantes sont les extrémités d'une séquence d'ADN double brin où un brin de la double hélice est laissé plus long que l'autre, laissant une petite section de bases non appariées. La séquence exacte de ces bases est déterminée par l'enzyme de restriction utilisée.
- En coupant le plasmide avec la même enzyme de restriction, on obtient des extrémités collantes complémentaires à celles du gène cloné. Cela signifie que les bases non appariées d'une extrémité du plasmide s'apparieront à celles du gène en question, ce qui maintiendra les deux sections d'ADN ensemble.
- Le squelette phosphate de l'ADN est ensuite reformé par l'ADN Ligase, ligaturant les deux sections ensemble, formant ainsi un plasmide recombinant.(ADNr)
- Ce plasmide recombinant est ensuite inséré ou transformé dans des bactéries, qui sont ensuite cultivées et produisent la protéine humaine souhaitée en exprimant les gènes contenus dans le plasmide.
Types de génie génétique
Comme indiqué précédemment, le génie génétique peut impliquer l'insertion, la suppression ou la modification de gènes individuels. C'est l'une des façons de classer le génie génétique ; cependant, il peut également être divisé en fonction de l'objectif du génie génétique et des méthodes utilisées.
Génie génétique analytique
Ce domaine utilise des ordinateurs pour modéliser ou simuler des changements génétiques avant de produire le matériel génétique dans la vie réelle. Il est également connu sous le nom de modification génétique in silico, car il se produit dans le silicium d'un ordinateur, selon les mêmes conventions d'appellation qu'in vitro et in vivo, qui signifient respectivement dans le verre et dans le corps vivant.
Génie génétique chimique
Le génie génétique chimique se concentre sur l'identification, la séparation et la classification de différents gènes afin de fournir suffisamment d'informations pour leur utilisation dans le génie génétique appliqué. Ce domaine se concentre sur la cartographie génétique, c'est-à-dire l'emplacement de chaque gène dans les chromosomes individuels. L'identification génétique permet aux scientifiques de mieux comprendre quel gène ou quelle combinaison de gènes est responsable de quel trait phénotypique.
Génie génétique appliqué
Ce domaine met le génie génétique en pratique, en effectuant la manipulation du matériel génétique d'un organisme par le biais de techniques de génie génétique, en modifiant leur phénotype pour qu'ils présentent les traits que nous désirons.
Utilisations du génie génétique en médecine
Le génie génétique a un énorme potentiel pour révolutionner les traitements médicaux humains. Voici quelques-unes des principales utilisations du génie génétique :
- Les commandes de gènes
- Hybridomes
- Vaccinations
- Thérapie génique
- Xénotransplantation
- Modélisation des maladies génétiques
- Production de protéines recombinantes
L'application des techniques de génie génétique à la recherche médicale et à la médecine en général est vaste. Certains des exemples mentionnés sont extrêmement utiles pour nous. Les protéines recombinantes sont des protéines créées à partir de l'expression d'ADN recombiné et peuvent sauver des vies. Les hybridomes sont des fusions de cellules tumorales et d'un lymphocyte, utilisées pour produire des anticorps monoclonaux ! Le génie génétique peut également être utilisé pour modifier les propriétés des agents pathogènes, ce qui permet de les utiliser dans les vaccins.
Lis nos articles sur les anticorps monoclonaux et la vaccination pour en savoir plus sur ces applications du génie génétique !
En introduisant les changements génétiques responsables des maladies génétiques chez les animaux, la condition génétique peut être modélisée, ce qui permet d'effectuer des recherches sur la condition sans avoir recours à la recherche expérimentale humaine. La xénotransplantation fait référence à la transplantation d'organes animaux chez l'homme, et le génie génétique peut être utilisé pour augmenter le taux de réussite de cette procédure en limitant le défi immunitaire que représentent les organes étrangers. C'est surtout lathérapie génique qui a le plus grand potentiel de révolutionner la médecine et le traitement des maladies génétiques grâce à l'édition de gènes. Ces techniques modifient directement le génome d'un organisme pour soulager les maladies à composante génétique, comme l'insertion d'un gène de lactase fonctionnel pour soulager l'intolérance au lactose.
Les " gene drives " utilisent la modification génétique pour insérer dans le génome d'un organisme des gènes codant pour un ensemble d'enzymes et un gène modifié. Ces enzymes garantissent que les deux chromosomes homologues d'un organisme possèdent le gène modifié et les gènes de l'enzyme. Cela garantit qu'ils seront toujours transmis à la descendance et que cette dernière sera toujours homozygote pour le gène modifié.
Utilisations du génie génétique dans l'agriculture
L'un des autres principaux domaines d'application du génie génétique est l'agriculture. En modifiant une plante, les scientifiques peuvent faire en sorte qu'elle produise des nutriments supplémentaires qu'elle ne produirait pas normalement. Elles peuvent également être modifiées pour être résistantes aux produits chimiques, tels que les herbicides ou les pesticides, ce qui permet de les appliquer pour améliorer le rendement des cultures. L'ajout de protéines insecticides permet aux plantes d'être naturellement protégées contre les parasites. Des modifications similaires peuvent également être utilisées pour transmettre une résistance à de nombreux autres agents pathogènes tels que les bactéries, les champignons et les virus.
Le génie génétique en agriculture peut également être utilisé pour modifier les caractéristiques naturelles des plantes. Il peut être utilisé pour modifier les caractéristiques de produits végétaux existants, comme le canola, ou pour produire de nouveaux composés. Ils peuvent également être modifiés pour pousser plus vite, être stockés plus longtemps, et bien d'autres facteurs !
Figure 3. Plantes d'arachide modifiées pour exprimer des toxines Bt afin de se protéger contre les parasites.
Avantages et inconvénients des cultures génétiquement modifiées
Les cultures génétiquement modifiées les plus courantes sont le soja, le maïs et le riz. L'utilisation de cultures génétiquement modifiées est l'un des exemples les plus courants et les plus largement vus de génie génétique, ce qui en fait également la source de la plus grande controverse sur la modification génétique. Nous présentons ci-dessous quelques-uns des nombreux avantages et inconvénients des OGM végétaux (organismes génétiquement modifiés).
| Avantages | Inconvénients |
| Les valeurs nutritionnelles peuvent être améliorées | L'utilisation de produits chimiques peut entraîner une perte de biodiversité |
| Le rendement des cultures peut être augmenté | Les modifications peuvent avoir des effets imprévisibles sur l'homme. |
| Moins de produits chimiques peuvent être nécessaires | Les modifications peuvent s'échapper dans les populations de plantes sauvages |
| Des produits chimiques moins nocifs peuvent être utilisés | Les parasites peuvent s'adapter pour contourner la protection fournie par les modifications génétiques. |
| Les aliments peuvent durer plus longtemps sur les étagères | Les agriculteurs, et donc l'approvisionnement alimentaire, deviennent dépendants des entreprises. |
| Les saisons de croissance peuvent être prolongées | Les pays en voie de développement deviennent dépendants de l'aide ou des achats de nourriture. |
Exemples de génie génétique
Il existe plusieurs exemples clés d'applications du génie génétique avec lesquels tu dois te familiariser :
- Production d'insuline humaine
- Résistance des plantes cultivées aux herbicides
- Protéines insecticides dans les plantes cultivées
- Production de nouvelles vitamines par les plantes
Le génie génétique et la production d'insuline humaine
L'insuline humaine, initialement extraite du pancréas animal, est aujourd'hui principalement produite par des levures et des bactéries. Les bactéries et les levures sont amenées à produire de l'insuline par un processus similaire à celui décrit ci-dessus. Le gène humain a été isolé, puis inséré dans un plasmide à l'aide d'une ligase d'ADN, après la création d'une extrémité collante par des enzymes de restriction. Le plasmide a ensuite été inséré dans des bactéries ou des levures, qui sont ensuite cultivées dans de grands fermenteurs, d'où l'insuline produite est extraite.
Résistance aux herbicides et génie génétique
Comme décrit dans la section sur le génie génétique et l'agriculture ci-dessus, les plantes cultivées peuvent être modifiées pour résister aux produits chimiques herbicides. Cela permet de pulvériser des herbicides à large spectre sur les champs, d'éliminer les plantes non modifiées et de limiter la concurrence pour les ressources, maximisant ainsi le rendement.
Un exemple est la modification des plantes pour les rendre résistantes au glyphosate, l'ingrédient actif de nombreux herbicides tels que le Roundup. Le glyphosate agit en inhibant l'ESPS, une enzyme qui décompose le shikimate, ce qui provoque son accumulation et tue la plante. En modifiant une plante pour qu'elle exprime une forme d'ESPS qui n'est pas sensible à l'inhibition du glyphosate, il est possible de lui conférer une résistance à ses effets herbicides.
Résistance aux insectes et génie génétique
En insérant des gènes de protéines insecticides, la résistance aux insectes nuisibles peut être transmise à une plante. Un exemple est l'insertion de toxines Bt dans les plants d'arachide pour les protéger contre les larves de la petite pyrale. Il s'agit de protéines cristallines qui ont une action insecticide contre toute une série d'insectes et de nématodes.
Génie génétique et vitamines végétales
Le génie génétique peut être utilisé pour que les plantes cultivées possèdent des vitamines qu'elles n'auraient pas autrement. Le riz doré en est un bon exemple. Il s'agit d'un riz modifié pour produire le pigment bêta-carotène. Celui-ci donne non seulement au riz sa couleur dorée, mais il est métabolisé en vitamine A dans l'organisme. La culture de ce riz à la place du riz ordinaire permet de réduire les carences en vitamine A dans les régions où le riz est un aliment de base, comme certaines régions d'Afrique et d'Asie du Sud.
Utilisations du génie génétique - Principaux enseignements
- Le génie génétique consiste à modifier le matériel génétique d'un organisme en supprimant, modifiant ou insérant des gènes individuels.
- Cela se fait souvent en utilisant de l'ADN recombinant, ou de l'ADN composé de deux ou plusieurs fragments fusionnés pour créer une section de matériel génétique que l'on ne trouve pas dans la nature.
- Le génie génétique permet de modifier le phénotype d'un organisme selon les souhaits des scientifiques, avec des applications en médecine et en agriculture.
- Parmi les principales utilisations, on peut citer la production d'insuline humaine par des bactéries et la modification des plantes pour qu'elles deviennent résistantes aux insectes nuisibles ou aux herbicides, ainsi que leur modification pour produire des nutriments supplémentaires.
Références
- Figure 1 : E Coli (https://www.flickr.com/photos/54591706@N02/7316101966) par le NIAID (https://www.flickr.com/photos/niaid/). Licence CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/).
- Figure 3 : Arachide à toxine BT (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bt_plants.png) par Herb Pilcher, USDA ARS. Domaine public.
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