Les moteurs biologiques - Jacques PROST

Moteurs moléculaires biologiques par Jacques prost La vie des êtres unicellulaires ou multicellulaires met en jeu un certain nombre de fonctions parmi lesquelles la synthèse chimique, le mouvement, le transport de matière, la morphogenèse, la duplication etc. Depuis environ une quinzaine d'année, il est apparu de plus en plus clairement que ces fonctions étaient assurées par des machineries d'une complexité redoutable. Le nom générique de moteur moléculaire est associé au plus simples de ces machineries. On distingue couramment les moteurs moléculaires rotatifs des moteurs moléculaires linéaires. Les premiers sont impliqués principalement dans la synthèse du carburant cellulaire essentiel l'ATP (adénosine triphosphate) et dans la propulsion de bactéries telles que E. coli, les seconds sont ubiquitaires dans les cellules eucaryotes. Ils participent au transport intra-cellulaire, à la motilité cellulaire, à la mitose, à l'organisation de la cellule, aux contractions musculaires, aux battements des cils et des flagelles, à la détection du son etc. S'il est aisé de comprendre l'importance biologique des moteurs moléculaires on peut se demander en quoi ils peuvent intéresser les physiciens et les physico-chimistes. La raison est double, bien que l'accent soit souvent mis seulement sur le premier aspect. Premièrement, la faible taille de ces moteurs en fait des objets soumis violemment aux fluctuations thermiques (" bombardement " incessant par les autres molécules), et malgré ces sollicitations stochastiques importantes, ils ont un fonctionnement comportant très peu de " fautes ", leur mouvement est presque déterministe, leur rendement est élevé ( presque un pour certains moteurs rotatifs).On a donc là un problème de physique statistique intriguant. Deuxièmement, et cet aspect est sous-estimé à l'heure actuelle, les moteurs moléculaires sont des acteurs essentiels des processus d'auto-organisation de la cellule. La description de ces processus fait appel à la physique des transitions de phase et des systèmes dynamiques. Ce champ d'activité commence tout juste à être exploré, et présence une très grande richesse.

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Protéines recombinantes et applications

La construction des protéines recombinantes (PR) se fait en intégrant des fragments d'ADN (ADNc) dans le génome d'organismes vivants. On obtient ainsi en quantité suffisante des protéines clefs autrement impossibles à purifier du fait de leur rareté. L'ADNc est choisi pour coder des molécules utiles à la compréhension, à la détection et au traitement des maladies. Les manipulations de l'ADNc, telle la mutagenèse dirigée, permettent d'établir les relations de leur fonction avec leur structure tridimensionnelle (3D). Les concepts et le savoir-faire nécessaires à la sélection et à leur construction du recombinant sont désormais incontournables pour les programmes de recherche de "l'après génome" comme pour les programmes de types industriels. Dans son émission 1, François Godeau nous explique le principe d'obtention des PR et nous donne des exemples de leur applications. Dans son émission 2, il nous expose comment on élabore un projet d'utilisation des protéines recombinantes pour la détection précoce des cancers.

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Paris, 25 septembre 2011

Une sonde moléculaire pour contrôler le métabolisme d'une plante

Des chercheurs du CEA(1), du CNRS, de l'Inra, et des Universités Joseph Fourier de Grenoble et Montpellier 2, ont mis au point une sonde moléculaire, la Galvestine-1, capable de contrôler de manière ultra-fine l'activité d'une enzyme chez la plante Arabidopsis thaliana. Cette enzyme, MGD1, est responsable de la synthèse des galactolipides, principaux constituants des membranes photosynthétiques. Grâce à cette méthode innovante de « génétique chimique », les scientifiques ont pu identifier le rôle des galactolipides dans le développement de la plante. Ce résultat vient de faire l'objet d'une publication en ligne dans la revue Nature Chemical Biology du 25 septembre 2011.
Comment contrôler l'activité d'une enzyme au sein d'un organisme vivant ? Une des méthodes couramment utilisées consiste à modifier le gène codant pour l'enzyme ciblée. Mais il existe d'autres méthodes, notamment celle mettant en jeu de petites molécules organiques. Celles-ci vont directement agir au niveau de l'enzyme et ainsi permettre un contrôle beaucoup plus fin de son activité et donc de l'organisme vivant. Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Inra et des Universités Joseph Fourier de Grenoble et Montpellier 2, ont été parmi les premiers à utiliser cette dernière approche, dite de « génétique chimique », chez un organisme végétal, Arabidopsis thaliana. Il leur a fallu dix ans de recherches pour sélectionner le bon composé, parmi une collection de 24 000 molécules, synthétiser 250 analogues et caractériser son fonctionnement depuis l'enzyme isolée jusqu'à la plante entière. La petite molécule, ou sonde moléculaire, qui sera finalement utilisée pour agir sur l'enzyme MGD1, a été appelée « Galvestine-1 ».

L'enzyme MGD1 est responsable de la synthèse des galactolipides, principaux constituants des membranes photosynthétiques, au sein desquelles s'effectue la capture de l'énergie solaire, indispensable au développement des plantes. Pour seulement un mètre carré de feuilles, ces membranes déroulées représenteraient l'équivalent en surface de un à trois terrains de football ! Les galactolipides constituent ainsi les lipides les plus abondants et les plus importants de la biosphère. Ils sont si importants que la suppression du gène codant pour leur enzyme, la MGD1, entraîne la mort de la plante.

L'utilisation de la « Galvestine-1 » permet aux chercheurs d'étudier les réactions d'Arabidopsis thaliana à des quantités variables de galactolipides. En effet, en se fixant sur le site de liaison de l'enzyme MGD1, la molécule inhibe progressivement l'activité de celle-ci, diminuant, de ce fait, la quantité de galactolipides synthétisée. Ainsi, en plaçant cette sonde moléculaire à l'endroit et au stade de développement voulus, les chercheurs contrôlent le métabolisme des lipides de manière extrêmement fine. Ils ont notamment introduit la « Galvestine-1 » au niveau du tube pollinique, qui conduit le gamète mâle vers le gamète femelle au moment de la fécondation, ce qui leur a permis de montrer le rôle déterminant des galactolipides dans la germination du pollen.

Au-delà de son intérêt pour la compréhension des mécanismes fondamentaux de la physiologie des plantes, cette approche de « génétique chimique » ouvre la voie au développement de diverses molécules organiques. En particulier, les chercheurs s'intéressent à la production de lipides aux qualités optimisées pour de nombreuses applications biotechnologiques comme la mise au point d'herbicides.

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Génétique et populations

Le peuplement du monde par les premiers humains modernes (Homo sapiens sapiens) est sans doute le phénomène global le plus ancien qu'ait connu notre espèce, conduisant cette dernière jusqu'aux derniers recoins inhabités de la planète, en dépit d'environnements parfois hostiles. De nombreux chercheurs étudient aujourd'hui cette globalisation, depuis son origine la plus reculée, il y a quelques 100'000 ans, jusqu'aux dernières conquêtes s'achevant dans le courant de notre ère : paléontologues, archéologues, linguistes et généticiens des populations sont à l'oeuvre pour reconstituer notre passé. Quelques échelons essentiels – quasi-unanimement reconnus - ont ainsi été franchis sur l'échelle de nos connaissances scientifiques: l'origine d'Homo sapiens sapiens est unique et très récente par rapport à celle du genre Homo dans son ensemble; nos traits morphologiques et pigmentaires sont le résultat de nos adaptations aux environnements diversifiés que nous avons rencontrés au cours de nos migrations; la diversité de nos caractères génétiques, remodelée au cours de nos différenciations préhistoriques, reflète, au contraire, davantage nos liens de parenté. D'autres questions restent, en revanche, très controversées: quelle est l'origine géographique précise de l'espèce humaine actuelle? Nous sommes-nous mélangés avec d'autres « types humains », comme l'Homme de Neanderthal? Jusqu'à quelle profondeur de temps les données génétiques nous permettent-elles de remonter? Autant de sujets que le généticien essaie d'explorer par l'étude des populations actuelles. Ainsi, tout en poursuivant sa conquête du territoire, aujourd'hui tournée vers d'autres planètes, l'Homme moderne n'a pas encore résolu toutes les énigmes de son passé sur la terre.

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