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Dans quelle mesure est-il possible de comprendre si une bactérie peut produire une protéine ? (in silico uniquement !)

Dans quelle mesure est-il possible de comprendre si une bactérie peut produire une protéine ? (in silico uniquement !)


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Je dois répondre à une question sur une sous-tâche de ma thèse : Les bactéries peuvent-elles X produire la protéine Oui?

J'ai recherché bien sûr Google et BLAST. Il n'y a aucune donnée soutenant que cette bactérie spécifique ait jamais produit cette séquence protéique.

Cependant, mon directeur de thèse souhaite que j'approfondisse[1], mais je ne sais pas comment faire in silico de manière à offrir une réponse appropriée.

Ce que je pense faire avec les données disponibles est de créer une base de données sur localhost avec toutes les versions de la protéine répertoriées dans BLAST (J'utilise ruby, je ne sais pas encore comment récupérer toutes ces données au format FASTA, mais je vais le découvrir), et toutes les souches des bactéries répertoriées dans BLAST et effectuer une correspondance de chaîne floue.

C'est comme du forçage brutal. Une fois que j'ai un score possible, je peux obtenir le score le plus proche de tous, l'étudier un peu, puis soumettre ma réponse.

Existe-t-il un autre moyen d'attaquer ce problème afin de soumettre une réponse appropriée, au moins partiellement polie?

REMARQUE : Je n'ai accès à aucun laboratoire, aucun expérience doit être réalisée in silico.

[1] Mon superviseur pense que SI cette bactérie avait besoin de cette protéine, elle SERAIT capable de la produire à volonté sans subir de mutations. Et comme son niveau de dévouement et de connaissances en matière de biologie moléculaire est effrayant, il est assez difficile de croire qu'il se trompe.


Votre problème se résumera finalement à rechercher votre séquence dans les bases de données Blast. Effectuer Blast semble être probablement le meilleur moyen de savoir si votre bactérie a cette protéine spécifique exprimée ou non. Si vous ne pouvez pas le trouver dans l'espèce la plus proche à l'aide de Blast, essayez d'exécuter PSI-BLAST, qui vous renverrait des homologues distants, grâce auxquels vous pouvez voir si votre protéine est exprimée dans les autres espèces bactériennes.


Microbiote intestinal

Intestin microbiote, intestin flore, ou microbiome sont les micro-organismes, y compris les bactéries, les archées et les champignons qui vivent dans le tube digestif des humains [1] et d'autres animaux, y compris les insectes. Le métagénome gastro-intestinal est l'agrégat de tous les génomes du microbiote intestinal. [2] [3] L'intestin est le siège principal du microbiote humain. [4]


Résumé

La biologie synthétique est un domaine de recherche qui combine la nature d'investigation de la biologie avec la nature constructive de l'ingénierie. Les efforts en biologie synthétique se sont largement concentrés sur la création et le perfectionnement de dispositifs génétiques et de petits modules construits à partir de ces dispositifs. Mais pour considérer les cellules comme de véritables entités « programmables », il est désormais essentiel de développer des stratégies efficaces pour assembler des dispositifs et des modules dans des systèmes complexes et personnalisables à plus grande échelle. La capacité de créer de tels systèmes se traduira par des approches innovantes pour un large éventail d'applications, telles que la bioremédiation, la production d'énergie durable et les thérapies biomédicales.


La biologie synthétique et l'essor des ɼhèvres-araignées'

Les taches de rousseur ressemblent à un enfant parfaitement normal. Elle a des yeux brillants, une peau blanche en bonne santé et gambade joyeusement avec Pudding, Sweetie et ses cinq autres frères et sœurs, exactement comme vous pouvez l'imaginer les jeunes chèvres. Jusqu'à ce que je la repousse, elle a très envie de mâcher mon pantalon. Pour l'observateur occasionnel et pour les chevriers, elle ne montre aucun signe qu'elle n'est pas une chèvre de basse-cour parfaitement normale.

Mais les taches de rousseur sont loin d'être normales. C'est une création extraordinaire, un animal qui n'aurait pu exister à aucun moment de l'histoire avant le 21e siècle. Elle est toute chèvre, mais elle a quelque chose en plus dans chacune de ses cellules : Freckles est aussi en partie araignée.

C'est ce que nous pouvons maintenant faire avec la génétique : des croisements extrêmes. Si la biologie du XXe siècle consistait à démonter les êtres vivants pour découvrir comment ils fonctionnent, l'ère actuelle se définit par leur remontage, mais pas nécessairement comme l'évolution a décrété, et certainement sans les contraintes maladroites de l'accouplement. Les taches de rousseur sont le résultat du génie génétique. Mais notre maîtrise de la manipulation de l'ADN a évolué vers une forme encore plus extrême de bricolage, largement appelée « biologie synthétique ». J'ai suivi ce domaine émergent depuis la fin de mon doctorat en génétique il y a 10 ans, mais intensément l'année dernière en tant que présentateur pour le volet scientifique phare de la BBC, Horizon.

Freckles est la création de Randy Lewis, professeur de génétique à l'Utah State University. La ferme est un avant-poste universitaire où ils étudient les techniques agricoles modernes, enseignent l'élevage et élèvent ce que l'on appelle inévitablement des "chèvres-araignées". Randy, comme beaucoup d'autres scientifiques ici à Logan, dans l'Utah, a l'agriculture dans le sang. Ainsi, bien qu'une créature mi-chèvre mi-araignée puisse sembler être une idée née de la science-fiction, en ce qui concerne Randy, il s'agit simplement d'une agriculture avancée : élever des animaux pour produire les choses que nous voulons.

"Nous nous intéressons à la soie de dragline – la soie avec laquelle les araignées se rattrapent lorsqu'elles tombent", me dit-il dans son rythme du Midwest. "C'est plus fort que le Kevlar. Il a vraiment des propriétés étonnantes pour tout type de fibre."

Dans un sens, les chèvres-araignées sont une extension de l'agriculture que nous pratiquons depuis 10 000 ans. Tout le bétail et les terres arables ont été soigneusement sélectionnés, chaque croisement étant une expérience génétique en soi. "Le problème, c'est que vous ne pouvez pas cultiver d'araignées", dit Randy avec un visage impassible presque comique. "Ils sont très cannibales." Lui et son équipe ont pris le gène qui code la soie de dragline d'une araignée tisserande et l'ont placé parmi l'ADN qui déclenche la production de lait dans les mamelles. Ce circuit génétique a ensuite été inséré dans un œuf et implanté dans une chèvre mère. Maintenant, lorsque Taches de rousseur allaite, son lait est plein de protéines de soie d'araignée.

Nous traitons les taches de rousseur ensemble et les traitons en laboratoire pour ne laisser que les protéines de soie. Avec une tige de verre, nous soulevons délicatement une seule fibre de ce qui est très évidemment de la soie d'araignée et l'enroulons sur une bobine. Il a des propriétés étonnantes et souhaitables, c'est pourquoi la recherche apparemment bizarre de Randy est si solidement financée. "Dans le domaine médical, nous savons déjà que nous pouvons produire de la soie d'araignée suffisamment bonne pour être utilisée dans la réparation des ligaments", me dit-il. "Nous savons déjà que nous pouvons le rendre suffisamment solide en tant qu'élastique. Nous avons fait des études qui montrent que vous pouvez le mettre dans le corps et que vous n'obtenez pas d'inflammation et ne tombez pas malade. Nous espérons que d'ici quelques années nous allons tester pour voir exactement les meilleurs designs et les meilleurs matériaux que nous pouvons en faire. »

Les instructions pour toutes les créatures qui ont jamais vécu (pour autant que nous le sachions) sont écrites dans le code de l'ADN niché au cœur des cellules vivantes. Compte tenu de la diversité déconcertante de la vie sur Terre, ce système est incroyablement conservateur. Toute vie est basée sur un alphabet de seulement quatre lettres qui, lorsqu'elles sont disposées dans le bon ordre, définissent les protéines. Et toute vie est faite de ou par des protéines. Cela signifie donc que le code pour fabriquer de la soie chez une araignée est écrit exactement dans le même langage que le code pour fabriquer du lait de chèvre.

Depuis l'avènement du génie génétique, nous avons pu exploiter l'universalité de ce code et couper et coller des morceaux d'ADN d'une espèce dans une autre. L'identification de la base génétique de tous les cancers et maladies héréditaires est venue de cette technologie : des gènes humains ou de souris ont été épissés dans des bactéries afin que nous puissions étudier et expérimenter sur ces morceaux de code endommagés. Maintenant, cette technologie d'édition a progressé au point que tous les morceaux de code ADN sont effectivement interchangeables entre toutes les espèces. En fait, les taches de rousseur et les autres chèvres-araignées ne sont même pas à la pointe. Le domaine vaguement défini de la biologie synthétique en est venu à incorporer des formes encore plus extrêmes de bricolage génétique.

Les gros titres les plus frappants à ce jour sont venus lorsque le biologiste américain Craig Venter a annoncé en 2010 qu'il avait créé la première forme de vie synthétique au monde. Synthia, alias Mycoplasme mycoïde JCVI-syn 1.0, était une cellule dont le code génétique, copié et modifié à partir d'une bactérie existante, avait été assemblé non par son parent, mais par un ordinateur. Ce code, y compris les citations littéraires et les adresses de sites Web, a ensuite été coincé dans le châssis éviscéré d'une autre cellule similaire et le tout a démarré. Il a vécu et il n'avait pas vécu avant.

Mais dire qu'il avait "créé la vie" est un tronçon que Venter - un maître des relations publiques ainsi qu'un scientifique accompli - s'est permis de fomenter et la presse a lapé. Il est plus exact de dire qu'il a redémarré la vie, son objectif étant de créer un modèle vivant sur lequel de nouvelles fonctions génétiques pourraient être construites. Néanmoins, cela reste une réalisation technique étonnante, montrant notre domination sur l'ADN non seulement nous pouvons modifier un ou deux gènes, mais nous pouvons en faire assez pour alimenter un être vivant.

Les scientifiques qui travaillent en biologie synthétique ont souvent une vision superficielle et réductionniste de ce qu'ils font. Le professeur du Massachusetts Institute of Technology, Ron Weiss, est un père fondateur de ce domaine, un puriste qui a commencé à jouer avec le code de la vie en codant des ordinateurs. "J'ai décidé de prendre ce que nous comprenons en informatique et de l'appliquer à la biologie de la programmation. Pour moi, c'est vraiment l'essence de la biologie synthétique."

Cela peut sembler désinvolte. Les formes de vie sont complexes à tous les niveaux. S'il y a une chose concrète que nous avons apprise des milliards dépensés pour lire notre propre code génétique, c'est que la biologie est désordonnée. Les scientifiques sont souvent déconcertés par le "bruit" déroutant dans les molécules qui composent les organismes vivants, des variations imprévisibles parmi une sophistication insondable. Weiss et ses camarades de la BioBricks Foundation veulent éliminer tout le bruit de la biologie et le transformer en pure ingénierie, où les organismes peuvent être traités comme des machines et où leurs rouages ​​internes sont des éléments constitutifs.

Les gènes ont évolué au cours de millions d'années pour conférer la survie à leurs hôtes en ayant des fonctions très spécifiques. En standardisant ces éléments génétiques dans un registre en ligne, n'importe qui peut les assembler dans n'importe quel ordre pour créer des circuits biologiques avec un objectif entièrement conçu. Même le langage utilisé relève plus du génie électrique que de la biologie traditionnelle.

« Imaginez un programme, un morceau d'ADN qui pénètre dans une cellule et dit : « En cas de cancer, alors fabriquez une protéine qui tue la cellule cancéreuse, sinon, partez. » C'est une sorte de programme que nous sommes en mesure d'écrire, de mettre en œuvre et de tester dans des cellules vivantes dès maintenant." Ce que Ron Weiss décrit est une étude publiée par son équipe à l'automne dernier, montrant qu'en utilisant la logique de circuits informatiques combinés avec des pièces de BioBricks, ils avaient construit une cellule assassine du cancer. La logique du circuit génétique distingue initialement une cellule cancéreuse d'une cellule saine à l'aide d'un ensemble de cinq critères. Il détruit ensuite la cellule tumorale si elle satisfait à ces conditions. Ce ciblage des tireurs d'élite est à l'opposé de l'approche tromblonnée de la chimiothérapie, qui peut détruire à la fois les cellules tumorales et saines avec un abandon imprudent.

Au cours des dernières années, BioBricks est devenu un phénomène mondial. Le registre des pièces biologiques standard contient actuellement des milliers de morceaux d'ADN, tous disponibles gratuitement, et cette démocratisation de la science est intégrée dans la philosophie de BioBricks. Chaque année, des étudiants de premier cycle participent à un concours international pour réfléchir à un problème et concevoir et construire sa solution, en utilisant uniquement les pièces disponibles dans le registre. Les champions européens de 2011, de l'Imperial College de Londres, ont conçu un système pour prévenir l'érosion des sols et la conversion des terres en désert. Il existe une culture du remix au sein de ces équipes, c'est un jeu sérieux (le grand prix est une brique Lego d'argent) et ils viennent d'horizons divers – mathématiques, ingénierie, même astrophysique – sans être entravés par les disciplines scientifiques étroitement définies dans lesquelles j'ai effectué mes recherches sur l'ADN.

La facilité d'accès à cette technologie de pointe est époustouflante. L'été dernier, dans la banlieue de Sunnyvale, en Californie, j'ai passé du temps à un rassemblement d'amateurs du week-end de biologie synthétique, autoproclamés « bio-hackers » avec l'excellent nom BioCurious. Là-bas, des lycéens apprenaient la biologie en introduisant des protéines fluorescentes de méduses des grands fonds dans des bactéries pour les faire briller dans le noir. En 2009, trois scientifiques ont remporté des prix Nobel pour ce travail. Déjà, c'est littéralement un jeu d'enfant.

Comme pour toute grande révolution, il y a ceux qui sont prêts à tuer une fois les portes ouvertes. À l'opposé de l'utopie open source et open access de BioBricks, des entreprises commerciales de biologie synthétique émergent. La technologie est peut-être nouvelle, mais les champs ne le sont pas. La biologie synthétique n'ayant que quelques années, les domaines les plus intenses de la biologie synthétique commercialisée sont la production de carburant et de drogue. Des sociétés de biotechnologie californiennes telles que LS9 et Amyris ont investi des millions de dollars dans le développement d'organismes synthétiques qui produiront du diesel. Dans ses laboratoires futuristes d'Emeryville, Amyris a modifié la levure de bière afin qu'au lieu de fermenter le sucre pour produire de l'alcool, le diesel s'infiltre dans chaque cellule. Ce biodiesel synthétique est déjà utilisé pour propulser des camions au Brésil. L'ambition d'Amyris est de passer d'usines pilotes à une production à l'échelle industrielle. Quand je demande au directeur scientifique Jack Newman s'ils envisagent que leur biocarburant remplace le pétrole naturel, il est étrangement timide : "Je serai excité par un milliard de litres."

Une crainte importante a moins à voir avec la science qu'avec l'équilibre changeant du pouvoir économique. Les chiens de garde de la technologie et les groupes de campagne tels que les Amis de la Terre et le groupe ETC ont initialement appelé de manière irréaliste à une interdiction totale de la biologie synthétique, même s'il manquait une définition pratique. ETC a modifié sa position pour se concentrer sur l'industrialisation de ces processus, et plus particulièrement sur le fait que les organismes de biodiesel synthétique ont besoin de nourriture.

Jim Thomas, qui travaille pour ETC, a le sentiment passionné que le contrôle de la production de carburant passe simplement d'un groupe de géants d'entreprise à un autre. « Les grandes entreprises achètent des parcelles de terrain pour pouvoir cultiver de la canne à sucre, puis elles l'alimentent dans des cuves de microbes synthétiques pour fabriquer des carburants », me dit-il. "Les organismes synthétiques à ce stade ne devraient pas être là-bas dans l'environnement, ils ne devraient pas être là-bas dans l'industrie. C'est irresponsable et inapproprié."

La culture de la biologie évolue rapidement et les scientifiques et le public doivent suivre le rythme. La biologie synthétique a le potentiel de générer une nouvelle révolution industrielle. C'est peut-être la technologie déterminante pour le 21e siècle et cela se produit maintenant. Sans un discours public informé, la peur de cette technologie sans précédent et parfois troublante peut entraver la promesse qui change le monde qu'elle recèle.

"La prédiction est très difficile, surtout pour l'avenir", comme l'a dit un jour le grand physicien Niels Bohr. Mais la science-fiction ne s'est jamais approchée des perspectives qui sont venues avec l'avènement de la biologie synthétique. Il est maintenant facile d'imaginer un monde dans lequel vos ligaments déchirés sont remplacés par ceux fabriqués à partir de soie d'araignée produite par des chèvres où la médecine est servie par des machines programmables vivantes qui recherchent et détruisent uniquement les cellules qui causent la maladie et où vous conduirez un voiture propulsée par du diesel cultivé par de la levure de bière. Bienvenue dans le futur.


Mythes de la fabrication de vaccins

Au cours des derniers jours, la question de savoir pourquoi davantage de sociétés pharmaceutiques n'ont pas été enrôlées pour la production de vaccins s'est posée. C'est principalement dû à ce tweet :

Le problème est, pour autant que je sache, que c'est tout simplement faux. Il n'y a pas des dizaines d'autres sociétés pharmaceutiques qui sont prêtes à produire ces vaccins à ARNm. Pour moi, cela trahit un manque de connaissances sur ce que sont ces vaccins et comment ils sont produits. Même si je ne suis pas un fabricant de produits pharmaceutiques, je suis bel et bien un chercheur pharmaceutique en général. Je serais donc heureux de combler cette lacune, et voici pourquoi il n'est pas possible de libérer soudainement des dizaines d'entreprises pour lancer les vaccins Pfizer/BioNTech et Moderna.

La première chose à comprendre est que ce ne sont pas, bien sûr, des vaccins traditionnels. C'est pourquoi ils sont venus si vite. L'ARNm en tant que technologie vaccinale a été travaillé pendant environ vingt à vingt-cinq ans maintenant, d'après ce que je peux voir, et (comme je ne me lasse jamais de le mentionner) nous sommes très chanceux que cela ait fonctionné (et tout récemment) plusieurs de ses problèmes en suspens juste avant que cette pandémie ne frappe. Il y a cinq ans, nous n'aurions tout simplement pas pu passer de la séquence au vaccin en l'espace d'un an. Et je veux dire que "nous voulons dire à la fois "nous sommes l'industrie biopharmaceutique" et "nous sommes la race humaine".

À ce stade, permettez-moi d'évoquer brièvement une idée encore moins fondée qui circule également. J'ai vu un certain nombre de personnes dire quelque chose comme « Nous avons eu le vaccin en février ! Il n'a fallu que la fin de l'année pour le déployer à cause de la FDA ! La principale chose que je dirai à propos de cette idée est que personne qui travaille réellement sur les vaccins, à quelque titre que ce soit, n'a le temps pour cela. déclaration. Toutes les idées de vaccin ne fonctionnent pas, nous le voyons déjà avec le coronavirus actuel, et si vous souhaitez en parler à certaines personnes, je vous suggère d'appeler GlaxoSmithKline et Sanofi et de leur demander ce qui est arrivé à leur premier vaccin. candidat, et pendant que vous y êtes, appelez Merck et demandez-leur ce qui est arrivé à leurs deux. Notez que je viens de nommer trois des sociétés pharmaceutiques les plus importantes et les plus expérimentées de la planète, qui ont toutes échoué. Alors non, nous n'avons pas eu le vaccin en février.

L'une des autres raisons pour lesquelles nous ne l'avions pas à l'époque est tout le problème de savoir comment faire le truc, et cela nous ramène à la discussion d'aujourd'hui. Comment fabriquez-vous les vaccins Moderna et Pfizer/BioNTech ? Et qu'est-ce qui empêche des dizaines d'autres sociétés pharmaceutiques de faire de même ? Entrons dans ces détails, en nous arrêtant à nouveau brièvement pour imaginer demander à James Hamblin ci-dessus de commencer réellement à nommer des « dizaines » de sociétés pharmaceutiques. Quelqu'un a-t-il une bonne idée du nombre de noms qui seraient balayés ?

OK, regardons les chaînes d'approvisionnement réelles. La pièce la plus informative que j'ai vue à ce sujet est de Jonas Neubert - je l'ai déjà recommandé auparavant, et c'est absolument le moment de le recommander à nouveau. Je dois également mentionner cet article détaillé à la Washington Post, qui se concentre sur le vaccin Pfizer/BioNTech, et celui-ci à KHN sur les goulots d'étranglement de fabrication en général. Vous devriez également lire ce fil Twitter de Rajeev Venkayya, qui sait aussi de quoi il parle en matière de fabrication de vaccins. Tout cela couvrira des détails que je ne vais même pas aborder aujourd'hui !

Ce n'est pas dans ma nature, puisque je suis moi-même un chercheur de drogue à un stade précoce, mais je vais totalement contourner toutes les questions de R&D derrière les différents composants et traiter cela comme un processus de fabrication tombé du ciel dans sa forme définitive. Pour distiller une énorme quantité d'arrière-plan et de détails dans les étapes simplifiées, nous avons :

OK, vous avez maintenant produit les vaccins contre le coronavirus à ARNm et les avez expédiés dans le monde, alors asseyez-vous et ouvrez-en un froid. Vous n'atteindrez pas ce stade, cependant, sans quelques défis importants. Voyons cela étape par étape. La production d'ADN dans la première étape n'est pas trop mauvaise. Comme le détaille l'article de Neubert, Pfizer le fait lui-même à Saint Louis, et Moderna le sous-traite à la grande et compétente entreprise suisse Lonza (mise à jour : une bonne partie du travail de Lonza est en cours à Portsmouth, NH). La production de plasmides d'ADN à l'échelle industrielle est assez bien établie (et gardez à l'esprit que "l'échelle industrielle" pour l'ADN signifie "quelques grammes"". Ce n'est pas quelque chose que vous pouvez faire dans votre garage "comme à chaque étape de ce processus, il y a beaucoup de purification et de contrôle de qualité pour s'assurer que vous faites exactement ce que tu penses faire et qu'il a l'air exactement dans les mêmes spécifications que la dernière fois que vous l'avez fait. Mais c'est ce à quoi sont bons les fabricants de produits biopharmaceutiques, et il y a beaucoup de gens qui peuvent le faire. Cela dit, bon nombre d'entre eux sont occupés à faire cela uniquement pour les vaccins, mais si nous avions besoin de plus de cet ADN, bien sûr, nous pourrions en produire plus.

Mais nous ne le faisons pas. Ce n'est pas l'étape de limitation du débit. La deuxième étape non plus, la transcription en ARNm. Pfizer et BioNTech le font à Andover, MA et dans les installations de BioNTech en Allemagne. Ils ont une fabrication à Idar-Oberstein (une ville que je me souviens avoir visitée sous la pluie froide un week-end en 1988 pendant mon post-doc !) L'étape Moderna mRNA est également gérée en Suisse par Lonza. Ce n'est certainement pas si courant en tant que processus industriel, car ce n'est que relativement récemment que les gens ont traité les espèces d'ARN comme de véritables substances médicamenteuses, dignes d'une fabrication à grande échelle. Si je devais demander à quelqu'un d'autre de me fabriquer d'autres sacs d'ARNm sur mesure, je pourrais me tourner vers Alnylam (qui a une usine de fabrication à Norton, MA, bien qu'ils l'utilisent pour leurs propres médicaments !), mais cela n'augmenterait pas le nombre de flacons de vaccins sortant à l'autre extrémité du processus. La production d'ARN est certainement plus proche de la limitation du taux que la première étape, mais ce n'est rien comparé aux véritables goulots d'étranglement à venir.

Passons maintenant aux lipides à la troisième étape. Cela n'a pas besoin d'être fait en séquence comme l'étape ADN/ARN, bien sûr, les lipides nécessaires à la formulation sont un processus de production entièrement différent. Comme l'article de Neubert vous le montrera, Pfizer et BioNTech obtiennent tous les leurs d'une société britannique appelée Croda, avec une production probablement en cours dans la ville d'Alabaster, en Alabama, qui (contrairement à Idar-Oberstein) je suis certain d'avoir ne pas a visité. Maintenant, chacun de ces vaccins a besoin de quelques lipides étranges avec des groupes chargés positivement sur eux qui constituent une partie cruciale de la formulation. Ce ne sont sûrement pas triviaux à fabriquer à grande échelle, mais ce sont encore de petites molécules avec des structures relativement simples. Je suis sûr que les barils de ces choses ne s'empilent pas à l'usine par manque de demande, mais je ne pense pas non plus qu'ils soient le réactif limitant dans la fabrication. Si vous deviez le faire, vous pourriez sûrement mettre d'autres fabricants au courant du processus.

Je vais passer aux étapes cinq et six. Celles-ci fonctionnent sûrement à un bon rythme, mais ce sont des fonctions plus traditionnelles d'une société pharmaceutique (ou de toute société de fabrication). Il est vrai que le remplissage et la finition des flacons pharmaceutiques à cette échelle vous réduisent à moins d'acteurs que ce qui serait impliqué, par exemple, dans la mise en conserve du thon. Mais ces gens sont déjà impliqués. Pfizer le fait à Kalamazoo et à Puurs, en Belgique, et BioNTech le fait sur plusieurs sites en Allemagne et en Suisse, à la fois dans ses propres installations et via au moins deux entreprises sous-traitantes. Moderna, quant à lui, sous-traite cela à certains des grands acteurs aux États-Unis et en Europe : Catalent, Rovi et Recipharm. Tout le monde dans cette partie de l'entreprise de fabrication sait depuis des mois qu'une grande poussée de vaccins est à venir et a intensifié la fabrication de flacons, mis à jour toutes les lignes de production disponibles et signé des accords partout avec tous ceux qui ont des sorte d'effort de vaccination avancé.

Ah, mais maintenant nous revenons à la quatrième étape. Comme le dit Neubert, « Bienvenue dans le goulot d'étranglement ! » Transformer un mélange d'ARNm et d'un ensemble de lipides en un mélange bien défini de nanoparticules solides avec une encapsulation d'ARNm cohérente, eh bien, c'est la partie difficile. Moderna semble faire cette étape en interne, bien que les détails soient rares, et Pfizer/BioNTech semble le faire à Kalamazoo, MI et probablement aussi en Europe. Tout le monde doit presque certainement utiliser une sorte de dispositif microfluidique spécialement conçu pour que cela se produise. Je serais extrêmement surpris de constater que cela serait faisable sans une telle technologie. La microfluidique (un domaine de recherche brûlant depuis quelques années maintenant) implique un écoulement de liquide à travers de très petits canaux, permettant un mélange et une synchronisation précis à très petite échelle. Les liquides se comportent assez différemment à cette échelle que lorsque vous les versez dans des fûts ou les pompez dans des réacteurs (ce à quoi nous sommes habitués dans la fabrication de médicaments plus traditionnelle). C'est toute l'idée. Ma propre supposition quant à ce qu'implique une telle machine à vaccins est un grand nombre de très petites chambres de réaction, fonctionnant en parallèle, qui ont des flux également petits et très précisément contrôlés de l'ARNm et des divers composants lipidiques qui y pénètrent. Vous devrez contrôler les débits, les concentrations, la température et qui sait quoi d'autre, et vous pouvez être sûr que la taille des canaux ainsi que la taille et la forme des chambres de mélange sont également essentielles.

Ce seront des machines sur mesure à usage spécial, et si vous demandez à d'autres sociétés pharmaceutiques si elles en ont une, la réponse sera "Bien sûr que non". Ce n'est pas du tout proche d'un processus traditionnel de fabrication de médicaments. Et c'est la principale raison pour laquelle vous ne pouvez pas simplement appeler ces "douzaines" d'autres sociétés et leur demander de déplacer leur production existante vers la fabrication de vaccins à ARNm. Il n'y a pas des dizaines d'entreprises qui fabriquent des modèles d'ADN à l'échelle nécessaire. Il n'y a certainement pas des dizaines d'entreprises qui peuvent produire suffisamment d'ARN. Mais le plus important, je crois que vous pouvez compter d'une part le nombre d'installations qui peuvent fabriquer les nanoparticules lipidiques critiques. Cela ne signifie pas que vous ne pouvez pas construire plus de machines, mais je suppose que Pfizer, BioNTech, Moderna (et CureVac également) ont largement utilisé la capacité de production pour ce type d'expansion également.

Et n'oublions pas : le reste de l'industrie du médicament se mobilise déjà. Sanofi, l'un des grands acteurs du vaccin déjà (et un avec son propre intérêt pour l'ARNm) a déjà annoncé qu'il allait aider Pfizer et BioNTech. Mais regardez les délais : voici l'une des entreprises les plus grandes et les mieux préparées qui pourraient se joindre à un effort de production de vaccins, et elles n'auront pas d'impact avant août. Il n'est pas clair à quelles étapes Sanofi sera impliqué, mais l'embouteillage et l'emballage sont définitivement impliqués (et il n'y a pas de détails sur la production de LNP). Et Novartis a annoncé un contrat pour utiliser l'un de ses sites suisses pour le remplissage et la finition également, avec une production d'ici le milieu de l'année. Bayer se joint au candidat de CureVac’s.

Ce sont toutes de bonnes nouvelles, mais c'est loin de ce tweet qui a lancé tout ce post. Il n'y a pas des dizaines d'entreprises prêtes à produire des vaccins et à mettre fin à cette pandémie. Ce sont les mêmes grands joueurs dont vous avez déjà entendu parler, et ils ne sont pas non plus assis à regarder. Prétendre le contraire est un fantasme, et nous sommes mieux lotis avec les faits.


Vie et calcul

La découverte des processus qui organisent la régulation de l'expression des gènes, puis celle du code génétique, ont répandu l'idée que la vie pourrait être représentée comme le résultat de l'expression d'un programme, vu comme une chaîne linéaire de symboles, la chaîne de nucléotides dans l'ADN ( Liberman, 1979 Yockey, 1992 ). Dans un article bien connu quelques décennies plus tôt, Turing avait proposé que tous les calculs impliquant des nombres entiers, ainsi que toutes les opérations de logique, puissent être effectués par une simple machine lisant et modifiant une bande portant une séquence linéaire de symboles, l'Universal Turing Machine ( Turing, 1936-1937 ). Le concept de programme génétique s'est développé à une époque où il avait été démontré que les premiers ordinateurs fonctionnaient comme prédit par Turing, von Neumann et les nombreux théoriciens et scientifiques qui avaient découvert le lien entre l'arithmétique des nombres entiers et la logique [ Turing, 1946 ( 1986) von Neumann, 1958 ].

La caractéristique la plus importante du modèle de Turing est l'exigence d'une séparation physique entre une chaîne de symboles, le données/programme et un machine doté de propriétés spécifiques lui permettant de manipuler (lire et écrire sur) la chaîne de symboles. Le programme génétique est réalisé par la chaîne de nucléotides qui composent la molécule d'ADN. En termes de machines de Turing, cela pose la question simple : peut-on considérer le programme comme un séparé entité dans la cellule, et si oui, dans quelle mesure ? La base du génie génétique est la manipulation de molécules d'ADN (réelles ou artificiellement construites) et l'expression dans des cellules étrangères : c'est une première preuve de concept. Des morceaux d'un programme génétique peuvent être transplantés d'un organisme à un autre : de nombreuses bactéries produisent désormais des protéines humaines. De plus, non seulement il est concevable de construire des cellules qui effectuent des tâches logiques, mais cela a été réalisé expérimentalement (Elowitz & Leibler, 2000 Buchler et al., 2003 ). Cependant, ces expériences n'utilisent qu'une petite partie du programme génétique : l'analogie peut-elle être étendue plus loin, à l'ensemble du génome ? Après la découverte de la transformation naturelle, qui a identifié l'ADN comme porteur du programme génétique, la découverte de la sexualité bactérienne a suggéré que l'échange d'un nombre considérable de gènes est répandu dans le monde bactérien ( Hayes, 1952 ). Plus tard, l'identification inattendue d'un transfert de gène horizontal étendu plutôt qu'exceptionnel dans les génomes existants de bactéries ( Médigue et al., 1991 Hilario & Gogarten, 1993 Lawrence & Roth, 1996 Baumler, 1997 ) ont donné plus de substance à la séparation entre le programme et la machine, car il était clair qu'un grand nombre de gènes provenant de l'extérieur peuvent être exprimés et « compris » par tout type de bactérie.

L'importance considérable de cette observation, et le fait qu'elle soit répandue dans les génomes nouvellement séquencés ( Moszer et al., 1999 ), n'a cependant pas apporté la preuve définitive que le programme définissant un organisme pouvait être extrait dans son ensemble et placé dans un autre environnement, où il pourrait fonctionner. Dans le cas des eucaryotes supérieurs, le clonage de la brebis Dolly a laissé entendre que cela pourrait être vrai ( Wilmut et al., 1997 ). Cependant, un noyau n'est pas de l'ADN nu, et l'on pourrait objecter que, dans le clonage animal, une grande partie de l'information était portée par autre chose que l'ADN. La preuve que le programme génétique, porté par un chromosome, était indépendant, et suffisant pour favoriser la construction d'une cellule, a finalement été apportée par la transplantation récente d'un génome entier d'une espèce donnée à une autre (Lartigue et al., 2007 ). Cette avancée conceptuelle a perfectionné l'analogie de la cellule en tant que machine de Turing en montrant une séparation complète entre la machinerie cellulaire, qui devra se reproduire, et les données/programme, qui se répliquent. En effet, ces derniers travaux ont prouvé qu'un programme génétique d'un organisme pouvait être placé dans un autre organisme d'un différent espèce, et se propagerait alors comme l'organisme défini par le programme, au lieu de l'organisme de la machine réceptrice initiale (Fig. 1).

Une machine de Turing implique une séparation physique entre une machine et le programme qu'elle exprime.

Dans ce contexte, il devient encore plus remarquable que tous les processus de la biologie moléculaire soient algorithmiques dans leur construction. Typiquement, la réplication, la transcription et la traduction ont la même forme : « début – action centrale – point de contrôle – répétition – fin », l'action centrale étant l'extension d'un polynucléotide ou d'une chaîne polypeptidique. Alors que les points de contrôle ont été étudiés dans le cas de la réplication (Yarmolinsky, 2000), cela a rarement été fait pour les autres processus, bien qu'il existe quelques exemples qui suggèrent un rôle de coordination pour des codons spécifiques dans la traduction, par exemple Thanaraj & Argos (1996 ) . En revanche, la biologie des systèmes standard suit deux tendances différentes. La première vise à représenter des réseaux protéiques ou métaboliques, et tente de montrer que les modèles prédisent le comportement du métabolisme de la cellule (il s'agit le plus souvent d'une rétrodiction, c'est-à-dire d'utiliser la modélisation pour retrouver ce qui est déjà connu pour un exemple récent, voir Price & Shmulevich, 2007 ). La deuxième tendance décrit les réseaux logiques d'interactions régulatrices, s'efforçant de mimer l'organisation logique de l'expression des gènes (Elowitz & Leibler, 2000 Buchler et al., 2003 D'Ari & Thomas, 2003 Alon, 2006 ). Il est donc curieux qu'en général, la biologie des systèmes ne situe pas ses développements dans le cadre de la construction algorithmique des processus, et, par conséquent, qu'elle ne prenne pas en compte la récursivité. L'information n'est pas (encore) une catégorie centrale dans cette nouvelle discipline ( de Marco, 2008 ).

La réticence des chercheurs à considérer l'information comme une catégorie authentique de la Nature suggère qu'à ce stade de la présente revue de la littérature, il peut encore être difficile pour le lecteur d'accepter qu'une cellule puisse se comporter comme un ordinateur. En effet, quel serait le rôle du calcul dans le processus d'évolution ? Nous avons déjà fourni quelques éléments de réponse à la question : Turing a montré que la conséquence du processus de calcul suivant les lignes qu'il a décrites est que sa machine serait capable d'effectuer toute opération imaginable de logique ou de calcul en lisant et en écrivant sur un bande de données/programme. Autrement dit, et d'une manière plus facile à rattacher à la biologie, la machine manipule l'information et, parce que l'arithmétique est incomplète [comme illustré dans l'introduction ci-dessus ( Hofstadter, 1979 )], elle est capable de créer informations. La machine est donc essentiellement imprévisible ( Turing, 1936-1937 ), mais pas de manière aléatoire – bien au contraire, de manière très intéressante, car l'absence de prédiction n'est pas due à un manque de déterminisme, mais à une action créatrice qui se traduit par une information nouvelle. Si l'image est correcte, alors elle montre que les organismes vivants sont ces systèmes matériels capables de manipuler l'information afin de produire des solutions inattendues qui leur permettent de survivre dans un avenir imprévisible (Danchin, 2003, 2008a).

Les organismes vivants sont donc infiniment éloignés du mécanisme d'horlogerie que les opposants superficiels de la biologie moléculaire associent à la position analytique répandue qu'ils appellent « réductionnisme » (Lewontin, 1993). Il est important de souligner ici que, dans la machine de Turing, la machine est non seulement autorisée à lire le programme mais aussi à écrire dessus. Si, alors, la conjecture de la cellule en tant que machine de Turing est valide, des paradoxes apparents tels que les « mutations adaptatives » controversées qui permettent à la cellule d'inventer de nouvelles voies métaboliques ne devraient pas être inattendus (Cairns et al., 1988 Danchin, 1988b ). Nous discuterons plus loin cette remarque. À ce stade, il devient désormais essentiel d'approfondir le concept d'information, en lien avec le successeur de la biologie moléculaire, la génomique et son avatar, la biologie des systèmes.

Enfin, il faut noter que l'approche algorithmique, présentée lorsque l'on considère le programme génétique comme un programme authentique dans une machine de Turing ( Danchin, 2003 ), identifie deux niveaux complètement différents : le niveau du programme et le niveau de la machine. Cette distinction est conceptuellement essentielle, et permet d'éviter la confusion généralisée entre réplication et reproduction ( Danchin, 2008a ). Cette différence, que nous développerons plus loin, a été clairement démontrée par Freeman Dyson dans son petit livre sur l'origine de la vie, qu'il a délibérément intitulé : Origines de la vie au pluriel, pour souligner la différence entre origine de réplication et origine de reproduction, cette dernière étant pour l'essentiel constituée de processus métaboliques ( Dyson, 1985 ). Réplication, en soi, aboutit à l'erreur catastrophe signalée par Leslie Orgel dans le cas de la synthèse des protéines ( Orgel, 1963 ) et souvent reconnue comme le cliquet de Muller dans le cas de l'hérédité ( Muller, 1932 ), alors que la reproduction n'est pas vouée à se dégrader progressivement ( Dyson, 1985).


Dans quelle mesure est-il possible de comprendre si une bactérie peut produire une protéine ? (in silico uniquement !) - Biologie

De nombreuses cellules sont incapables d'effectuer la respiration en raison d'une ou plusieurs des circonstances suivantes :

  1. La cellule manque d'une quantité suffisante de tout accepteur d'électrons final inorganique approprié pour effectuer la respiration cellulaire.
  2. La cellule manque de gènes pour fabriquer des complexes appropriés et des porteurs d'électrons dans le système de transport d'électrons.
  3. La cellule manque de gènes pour fabriquer une ou plusieurs enzymes dans le cycle de Krebs.

Alors que l'absence d'un accepteur final d'électrons inorganique approprié dépend de l'environnement, les deux autres conditions sont déterminées génétiquement. Ainsi, de nombreux procaryotes, y compris des membres du genre cliniquement important Streptocoque, sont en permanence incapables de respirer, même en présence d'oxygène. Inversement, de nombreux procaryotes sont facultatifs, ce qui signifie que, si les conditions environnementales changent pour fournir un accepteur d'électrons final inorganique approprié pour la respiration, les organismes contenant tous les gènes nécessaires pour le faire passeront à la respiration cellulaire pour le métabolisme du glucose, car la respiration permet un ATP beaucoup plus important. production par molécule de glucose.

Si la respiration ne se produit pas, le NADH doit être réoxydé en NAD + pour être réutilisé comme transporteur d'électrons pour la glycolyse, le seul mécanisme de la cellule pour produire de l'ATP, pour continuer. Certains systèmes vivants utilisent une molécule organique (généralement du pyruvate) comme accepteur final d'électrons via un processus appelé fermentation. La fermentation n'implique pas de système de transport d'électrons et ne produit pas directement d'ATP supplémentaire au-delà de celui produit lors de la glycolyse par phosphorylation au niveau du substrat. Les organismes effectuant la fermentation, appelés fermenteurs, produisent au maximum deux molécules d'ATP par glucose lors de la glycolyse. Le tableau 1 compare les accepteurs d'électrons finaux et les méthodes de synthèse d'ATP dans la respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation. Notez que le nombre de molécules d'ATP indiqué pour la glycolyse suppose la Sentier Embden-Meyerhof-Parnas. Le nombre de molécules d'ATP produites par phosphorylation au niveau du substrat (SLP) contre phosphorylation oxydative (OP) sont indiqués.

Les processus de fermentation microbienne ont été manipulés par les humains et sont largement utilisés dans la production de divers aliments et autres produits commerciaux, y compris des produits pharmaceutiques. La fermentation microbienne peut également être utile pour identifier les microbes à des fins de diagnostic.

La fermentation par certaines bactéries, comme celles du yaourt et d'autres produits alimentaires aigres, et par les animaux dans les muscles pendant l'épuisement de l'oxygène, est fermentation lactique. La réaction chimique de la fermentation lactique est la suivante :

Bactéries de plusieurs genres gram-positifs, y compris Lactobacilles, Leuconostoc, et Streptocoque, sont collectivement connus sous le nom de bactéries lactiques (BL), et diverses souches sont importantes dans la production alimentaire. Pendant yaourt et du fromage production, l'environnement très acide généré par la fermentation lactique dénature les protéines contenues dans le lait, provoquant sa solidification. Lorsque l'acide lactique est le seul produit de fermentation, le processus est dit fermentation homolactique tel est le cas pour Lactobacillus delbrueckii et S. thermophiles utilisé dans la production de yaourt. Cependant, de nombreuses bactéries agissent fermentation hétérolactique, produisant un mélange d'acide lactique, d'éthanol et/ou d'acide acétique, et de CO2 en conséquence, en raison de leur utilisation de la voie ramifiée des pentoses phosphates au lieu de la voie EMP pour la glycolyse. Un important fermenteur hétérolactique est Leuconostoc mesenteroides, qui est utilisé pour acidifier des légumes comme les concombres et le chou, produisant respectivement des cornichons et de la choucroute.

Les bactéries lactiques sont également importantes sur le plan médical. La production d'environnements à faible pH dans le corps inhibe l'établissement et la croissance d'agents pathogènes dans ces zones. Par exemple, le microbiote vaginal est composé en grande partie de bactéries lactiques, mais lorsque ces bactéries sont réduites, les levures peuvent proliférer, provoquant une infection à levures. De plus, les bactéries lactiques sont importantes pour maintenir la santé du tractus gastro-intestinal et, en tant que telles, sont le principal composant des probiotiques.

Un autre processus de fermentation familier est fermentation alcoolique, qui produit de l'éthanol. La réaction de fermentation de l'éthanol est illustrée à la figure 1. Dans la première réaction, l'enzyme pyruvate décarboxylase élimine un groupe carboxyle du pyruvate, libérant du CO2 gaz tout en produisant l'acétaldéhyde, une molécule à deux carbones. La deuxième réaction, catalysée par l'enzyme alcool déshydrogénase, transfère un électron du NADH à l'acétaldéhyde, produisant de l'éthanol et du NAD + . La fermentation éthanolique du pyruvate par la levure Saccharomyces cerevisiae est utilisé dans la production de boissons alcoolisées et fait également augmenter les produits de panification en raison du CO2 production. En dehors de l'industrie alimentaire, la fermentation éthanolique des produits végétaux est importante dans biocarburant production.

Figure 1. Les réactions chimiques de la fermentation alcoolique sont montrées ici. La fermentation à l'éthanol est importante dans la production de boissons alcoolisées et de pain.

Au-delà de la fermentation lactique et de la fermentation alcoolique, de nombreuses autres méthodes de fermentation interviennent chez les procaryotes, toutes dans le but d'assurer un apport adéquat en NAD+ pour la glycolyse (tableau 2). Sans ces voies, la glycolyse ne se produirait pas et aucun ATP ne serait récolté à partir de la dégradation du glucose. Il convient de noter que la plupart des formes de fermentation en plus fermentation homolactique produire du gaz, généralement du CO2 et/ou de l'hydrogène gazeux. Bon nombre de ces différents types de voies de fermentation sont également utilisés dans la production alimentaire et chacun entraîne la production de différents acides organiques, contribuant à la saveur unique d'un produit alimentaire fermenté particulier. L'acide propionique produit pendant fermentation acide propionique contribue à la saveur distinctive du fromage suisse, par exemple.

Plusieurs produits de fermentation sont importants commercialement en dehors de l'industrie alimentaire. Par exemple, les solvants chimiques tels que acétone et butanol sont produits pendant fermentation acétone-butanol-éthanol. Les composés pharmaceutiques organiques complexes utilisés dans les antibiotiques (par exemple, la pénicilline), les vaccins et les vitamines sont produits par fermentation acide mixte. Les produits de fermentation sont utilisés en laboratoire pour différencier diverses bactéries à des fins de diagnostic. Par exemple, les bactéries entériques sont connues pour leur capacité à effectuer une fermentation acide mixte, réduisant le pH, ce qui peut être détecté à l'aide d'un indicateur de pH. De même, la production bactérienne d'acétoïne lors de la fermentation du butanediol peut également être détectée. La production de gaz provenant de la fermentation peut également être observée dans un tube de Durham inversé qui piège le gaz produit dans un bouillon de culture.

Les microbes peuvent également être différenciés selon les substrats qu'ils peuvent fermenter. Par exemple, E. coli peut fermenter le lactose, formant du gaz, alors que certains de ses proches parents gram-négatifs ne le peuvent pas. La capacité à fermenter l'alcool de sucre sorbitol est utilisée pour identifier la souche pathogène entérohémorragique O157:H7 de E. coli car contrairement à d'autres E. coli souches, il est incapable de fermenter le sorbitol. Enfin, la fermentation du mannitol différencie la fermentation du mannitol Staphylococcus aureus d'autres staphylocoques ne fermentant pas le mannitol.

Tableau 2. Voies de fermentation courantes
Sentier Produits finaux Exemple de microbes Produits commerciaux
Acétone-butanol-éthanol Acétone, butanol, éthanol, CO2 Clostridium acetobutylicum Solvants commerciaux, alternative à l'essence
De l'alcool Éthanol, CO2 Candida, Saccharomyces Pain à la bière
Butanediol Acide formique et lactique éthanol acétoïne 2,3 butanediol CO2 gaz hydrogène Klebsiella, Enterobacter Vin de chardonnay
Acide butyrique Acide butyrique, CO2, gaz hydrogène Clostridium butyricum Le beurre
Acide lactique Acide lactique Streptocoque, Lactobacille Choucroute, yaourt, fromage
Acide mélangé Acides acétique, formique, lactique et succinique éthanol, CO2, gaz hydrogène Escherichia, Shigella Vinaigre, cosmétiques, produits pharmaceutiques
L'acide propionique Acide acétique, acide propionique, CO2 Propionibacterium, Bifidobacterium fromage suisse

Pensez-y

  • Quand un microbe métaboliquement polyvalent effectuerait-il la fermentation plutôt que la respiration cellulaire ?

Identification des bactéries à l'aide de panels de test API

L'identification d'un isolat microbien est essentielle pour le bon diagnostic et le traitement approprié des patients. Les scientifiques ont développé des techniques qui identifient les bactéries en fonction de leurs caractéristiques biochimiques. En règle générale, ils examinent soit l'utilisation de sources de carbone spécifiques comme substrats pour la fermentation ou d'autres réactions métaboliques, soit ils identifient les produits de fermentation ou les enzymes spécifiques présentes dans les réactions. Dans le passé, les microbiologistes utilisaient des tubes à essai et des plaques individuels pour effectuer des tests biochimiques. Cependant, les scientifiques, en particulier ceux des laboratoires cliniques, utilisent désormais plus fréquemment des panneaux multitests jetables en plastique contenant un certain nombre de tubes de réaction miniatures, chacun comprenant généralement un substrat et un indicateur de pH spécifiques. Après inoculation du panel de test avec un petit échantillon du microbe en question et incubation, les scientifiques peuvent comparer les résultats à une base de données qui comprend les résultats attendus pour des réactions biochimiques spécifiques pour des microbes connus, permettant ainsi une identification rapide d'un échantillon de microbe. Ces panels de test ont permis aux scientifiques de réduire les coûts tout en améliorant l'efficacité et la reproductibilité en effectuant un plus grand nombre de tests simultanément.

De nombreux panels de tests biochimiques miniaturisés commerciaux couvrent un certain nombre de groupes de bactéries et de levures cliniquement importants. L'un des panels de test les plus anciens et les plus populaires est le panel d'indice de profil analytique (API) inventé dans les années 1970. Une fois qu'une caractérisation de base en laboratoire d'une souche donnée a été effectuée, telle que la détermination de la morphologie Gram de la souche, une bandelette de test appropriée contenant 10 à 20 tests biochimiques différents pour différencier les souches au sein de ce groupe microbien peut être utilisée. Actuellement, les divers Bandes API peut être utilisé pour identifier rapidement et facilement plus de 600 espèces de bactéries, aérobies et anaérobies, et environ 100 types de levures différents. Sur la base des couleurs des réactions lorsque des produits finaux métaboliques sont présents, en raison de la présence d'indicateurs de pH, un profil métabolique est créé à partir des résultats (Figure 2). Les microbiologistes peuvent ensuite comparer le profil de l'échantillon à la base de données pour identifier le microbe spécifique.

Figure 2. La bandelette de test API 20NE est utilisée pour identifier des souches spécifiques de bactéries gram-négatives en dehors des entérobactéries. Voici un résultat de bandelette de test API 20NE pour Photobacterium damselae ssp. piscicide.

Focus clinique : Alex, partie 2

Cet exemple continue l'histoire d'Alex qui a commencé dans Energy Matter and Enzymes.

De nombreux symptômes d'Alex correspondent à plusieurs infections différentes, notamment la grippe et la pneumonie. Cependant, ses réflexes lents ainsi que sa sensibilité à la lumière et sa raideur de la nuque suggèrent une possible implication du système nerveux central, indiquant peut-être méningite. La méningite est une infection du liquide céphalo-rachidien (LCR) autour du cerveau et de la moelle épinière qui provoque une inflammation des méninges, les couches protectrices recouvrant le cerveau. La méningite peut être causée par des virus, des bactéries ou des champignons. Bien que toutes les formes de méningite soient graves, la méningite bactérienne est particulièrement grave. La méningite bactérienne peut être causée par plusieurs bactéries différentes, mais la bactérie Neisseria meningitidis, un diplocoque Gram négatif en forme de haricot, est une cause fréquente et entraîne la mort en 1 à 2 jours chez 5 à 10 % des patients.

Compte tenu de la gravité potentielle de l'état d'Alex, son médecin a conseillé à ses parents de l'emmener à l'hôpital de Banjul, la capitale gambienne, et de le faire tester et traiter pour une éventuelle méningite. Après 3 heures de route jusqu'à l'hôpital, Alex a été immédiatement admis. Les médecins ont prélevé un échantillon de sang et effectué une ponction lombaire pour tester son LCR. Ils l'ont aussi immédiatement mis sous traitement à l'antibiotique ceftriaxone, le médicament de choix pour le traitement de la méningite causée par N. meningitidis, sans attendre les résultats des tests de laboratoire.

  • Comment les tests biochimiques peuvent-ils être utilisés pour confirmer l'identité de N. meningitidis?
  • Pourquoi les médecins d'Alex ont-ils décidé d'administrer des antibiotiques sans attendre les résultats des tests ?

Nous reviendrons sur l'exemple d'Alex dans les pages suivantes.

Concepts clés et résumé

  • La fermentation utilise une molécule organique comme accepteur d'électrons final pour régénérer le NAD + à partir du NADH afin que la glycolyse puisse se poursuivre.
  • La fermentation n'implique pas de système de transport d'électrons et aucun ATP n'est produit directement par le processus de fermentation. Les fermenteurs produisent très peu d'ATP - seulement deux molécules d'ATP par molécule de glucose pendant la glycolyse.
  • Des procédés de fermentation microbienne ont été utilisés pour la production d'aliments et de produits pharmaceutiques, et pour l'identification de microbes.
  • Au cours de la fermentation lactique, le pyruvate accepte les électrons du NADH et est réduit en acide lactique. Microbes performants fermentation homolactique produire uniquement de l'acide lactique en tant que produit de fermentation fermentation hétérolactique produire un mélange d'acide lactique, d'éthanol et/ou d'acide acétique et de CO2.
  • La production d'acide lactique par le microbiote normal empêche la croissance d'agents pathogènes dans certaines régions du corps et est importante pour la santé du tractus gastro-intestinal.
  • Lors de la fermentation éthanolique, le pyruvate est d'abord décarboxylé (libérant du CO2) en acétaldéhyde, qui accepte ensuite les électrons du NADH, réduisant l'acétaldéhyde en éthanol. La fermentation éthanolique est utilisée pour la production de boissons alcoolisées, pour la fabrication de produits panifiés et pour la production de biocarburants.
  • Les produits de fermentation des voies (par exemple, la fermentation de l'acide propionique) confèrent des saveurs distinctives aux produits alimentaires. La fermentation est utilisée pour produire des solvants chimiques (fermentation acétone-butanol-éthanol) et pharmaceutiques (fermentation acide mixte).
  • Des types spécifiques de microbes peuvent être distingués par leurs voies de fermentation et leurs produits. Les microbes peuvent également être différenciés selon les substrats qu'ils sont capables de fermenter.

Choix multiple

Lequel des éléments suivants est le but de la fermentation ?

  1. faire de l'ATP
  2. faire des intermédiaires de molécules de carbone pour l'anabolisme
  3. faire du NADH
  4. faire NAD +

Quelle molécule sert généralement d'accepteur d'électrons final pendant la fermentation ?

Quel produit de fermentation est important pour faire lever le pain ?

Lequel des produits suivants n'est pas un produit de fermentation commercialement important ?

Remplir les trous

Le microbe responsable de la fermentation de l'éthanol dans le but de produire des boissons alcoolisées est le ________.

________ entraîne la production d'un mélange de produits de fermentation, comprenant de l'acide lactique, de l'éthanol et/ou de l'acide acétique, et du CO2.

Les organismes en fermentation fabriquent de l'ATP par le processus de ________.

Correspondant à

Faites correspondre la voie de fermentation avec le bon produit commercial qu'il est utilisé pour produire :


Dans quelle mesure est-il possible de comprendre si une bactérie peut produire une protéine ? (in silico uniquement !) - Biologie

Une bioéconomie lignocellulosique durable ne sera pas réalisée sans surmonter les obstacles associés à la complexité structurelle associée aux flux de déchets de lignine.

Les ingénieurs métaboliques tirent parti de voies d'entonnoir robustes et naturelles qui convertissent un large éventail de substrats en quelques intermédiaires clés pour le clivage de l'anneau et la conversion en métabolites centraux.

L'élargissement des conditions de réaction et de la gamme de substrats pour la dépolymérisation de la lignine et l'entonnoir des enzymes devraient améliorer la valorisation de la lignine par les micro-organismes.

La lignine est le deuxième biopolymère le plus abondant sur terre et est une source majeure de composés aromatiques, cependant, elle est largement sous-utilisée en raison de sa nature hétérogène et récalcitrante. Les micro-organismes ont développé des mécanismes efficaces qui surmontent ces défis pour dépolymériser la lignine et canaliser des mélanges complexes de monomères dérivés de la lignine en métabolites centraux. Cette revue résume les efforts récents de biologie synthétique pour améliorer la dépolymérisation de la lignine et le catabolisme aromatique chez les hôtes bactériens et fongiques pour la production de bioproduits naturels et nouveaux. Nous soulignons également les difficultés d'ingénierie de phénotypes complexes et discutons des perspectives d'avenir de la valorisation biologique de la lignine.


Variation antigénique dans les virus

La variation antigénique se produit également dans certains types de virus enveloppés, y compris les virus de la grippe, qui présentent deux formes de variation antigénique : la dérive antigénique et le déplacement antigénique (Figure (PageIndex<9>)). La dérive antigénique est le résultat de mutations ponctuelles provoquant de légers changements dans les protéines de pointe hémagglutinine (H) et neuraminidase (N). D'autre part, le déplacement antigénique est un changement majeur dans les protéines de pointe en raison du réassortiment des gènes. Ce réassortiment pour le déplacement antigénique se produit généralement lorsque deux virus grippaux différents infectent le même hôte.

Le taux de variation antigénique des virus de la grippe est très élevé, ce qui rend difficile pour le système immunitaire de reconnaître les nombreuses souches différentes de virus de la grippe. Bien que le corps puisse développer une immunité contre une souche par exposition naturelle ou vaccination, la variation antigénique entraîne l'émergence continue de nouvelles souches que le système immunitaire ne reconnaîtra pas. C'est la principale raison pour laquelle les vaccins contre l'Influenzavirus doivent être administrés chaque année. Chaque année, le vaccin antigrippal offre une protection contre les souches les plus répandues cette année-là, mais des souches nouvelles ou différentes peuvent être plus répandues l'année suivante.

Figure (PageIndex<9>) : Dérive antigénique et déplacement antigénique dans les virus de la grippe. (a) Dans la dérive antigénique, des mutations dans les gènes des protéines de surface neuraminidase et/ou hémagglutinine entraînent de petits changements antigéniques au fil du temps. (b) Dans le changement antigénique, l'infection simultanée d'une cellule par deux virus grippaux différents entraîne un mélange des gènes. Le virus résultant possède un mélange des protéines des virus d'origine. Les pandémies de grippe peuvent souvent être attribuées à des changements antigéniques.

Pour une autre explication de la façon dont le déplacement et la dérive antigéniques se produisent, regardez cette vidéo.

  1. Décrire le rôle des adhésines dans le tropisme viral.
  2. Expliquez la différence entre la dérive antigénique et le déplacement antigénique.

Une introduction rapide aux éléments de biologie - cellules, molécules, gènes, génomique fonctionnelle, puces à ADN

Il s'agit d'une brève introduction à la biologie moléculaire en mettant l'accent sur la génomique et la bioinformatique. Il s'adresse aux scientifiques, ingénieurs, informaticiens, ou à toute personne ayant une formation ou un intérêt marqué pour les sciences, mais sans formation en biologie, et en premier lieu à ceux qui rejoignent l'EBI . D'une part, nous avons essayé de distiller le contenu jusqu'au minimum absolu nécessaire pour donner un sens à la bio-informatique, tandis que d'autre part, en laisser suffisamment pour montrer pourquoi c'est intéressant.

Avis de non-responsabilité : la plupart des biologistes s'accordent à dire qu'il existe très peu de règles strictes en biologie et que la plupart des règles ont des exceptions. Par conséquent, ce qui est écrit ici peut ne pas toujours être strictement vrai.

Teneur

1. Organismes et cellules

Tous les organismes sont constitués de petites cellules, généralement trop petites pour être vues à l'œil nu, mais suffisamment grandes pour un microscope optique. Chaque cellule est un système complexe composé de nombreux blocs de construction différents enfermés dans un sac à membrane. Il existe des organismes unicellulaires (constitués d'une seule cellule) et multicellulaires. Les bactéries et la levure de boulanger sont des exemples d'organismes unicellulaires - n'importe quelle cellule est capable de survivre et de se multiplier indépendamment dans un environnement approprié.

On estime à environ 6x10 13 cellules dans un corps humain, d'environ 320 types différents. Par exemple, il existe plusieurs types de cellules de la peau, des cellules musculaires, des cellules du cerveau (neurones), parmi beaucoup d'autres. Le nombre de types de cellules n'est pas bien défini, il dépend du seuil de similarité (quel niveau de détail nous aimerions utiliser pour distinguer les types de cellules, par exemple, il est peu probable que nous puissions trouver deux cellules identiques dans un organisme si l'on compte le nombre de leurs molécules). La taille des cellules peut varier en fonction du type de cellule et des circonstances. Par exemple, un globule rouge humain mesure environ 5 microns (0,005 mm) de diamètre, tandis que certains neurones mesurent environ 1 m de long (de la moelle épinière à la jambe). Typiquement, le diamètre des cellules animales et végétales est compris entre 10 et 100 microns.

Il existe deux types d'organismes - les eucaryotes et les procaryotes, et deux types de cellules respectivement.Les bactéries appartiennent aux procaryotes. Cependant, la plupart des organismes que nous pouvons voir, tels que les arbres, l'herbe, les fleurs, les mauvaises herbes, les vers, les mouches, les souris, les chats, les chiens, les humains, les champignons et les levures sont des eucaryotes. La distinction entre les eucaryotes et les procaryotes est assez importante, car de nombreux éléments constitutifs cellulaires et processus vitaux sont assez différents dans ces deux types d'organismes. On pense que cela est le résultat de différentes voies évolutives. L'évolution est un concept important en biologie, il y a un proverbe qui dit que les choses n'ont de sens en biologie que dans le contexte de l'évolution. La plupart des scientifiques pensent que la vie est apparue sur Terre il y a environ 3,8 milliards d'années. Les plus anciens os fossilisés qui ont été trouvés ressemblant à des os d'humains anatomiquement modernes ont environ 100 000 à 200 000 ans. Personne ne sait vraiment comment la vie est apparue sur Terre, mais il existe de nombreuses preuves scientifiques sur la façon dont elle a pu évoluer.

Les virus ne sont pas tout à fait des organismes vivants, mais lorsqu'ils sont à l'intérieur d'une cellule hôte vivante, ils présentent certaines caractéristiques d'un organisme vivant. Les virus sont trop petits pour être vus au microscope optique, mais sont assez gros pour révéler leur structure au microscope électronique (la taille caractéristique du virus est d'environ 0,05-0,1 micron, tandis que la longueur d'onde de la lumière verte est d'environ 0,5 micron).

Les cellules procaryotes sont plus petites que les cellules eucaryotes (une taille typique d'une cellule procaryote est d'environ 1 micron de diamètre) et ont une structure plus simple (par exemple, elles n'ont pas de membranes cellulaires internes qui sont toujours présentes chez les eucaryotes, voir ci-dessous). Les procaryotes sont des organismes unicellulaires, mais notez qu'être une seule cellule ne signifie pas qu'un organisme est un procaryote. Être plus petit que les eucaryotes ne signifie pas que les procaryotes sont moins importants - par exemple, il est fort probable que le nombre de bactéries vivant dans la bouche et le tube digestif d'un humain soit supérieur au nombre de cellules eucaryotes chez le même individu et beaucoup de ces bactéries sont nécessaires à un être humain pour vivre une vie normale (ces nombres sont plutôt difficiles à estimer, plutôt une hypothèse). Les procaryotes sont parfois aussi appelés microbes.

Un modèle de cellule eucaryote (photo extraite du livre de biologie en ligne)

Une cellule eucaryote a un noyau séparé du reste de la cellule par une membrane. Le noyau contient des chromosomes, qui sont le porteur du matériel génétique (section 3). Il existe des compartiments membranaires internes au sein des cellules eucaryotes, appelés organites, par exemple centrioles, lysosomes, complexes de Golgi, mitochondries entre autres (voir image ci-dessus), qui sont spécialisés pour des processus biologiques particuliers. Les mitochondries se trouvent chez tous les eucaryotes et sont spécialisées pour la production d'énergie (respiration). Les chloroplastes sont des organites présents dans les cellules végétales qui produisent du sucre à l'aide de la lumière. La lumière est la source d'énergie ultime pour presque toute la vie sur Terre. La zone de la cellule en dehors du noyau et des organites s'appelle le cytoplasme. Les membranes sont des structures complexes et elles constituent une barrière efficace pour l'environnement et régulent le flux de nourriture, d'énergie et d'information à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule. Il existe une théorie selon laquelle les mitochondries sont des procaryotes vivant dans des cellules eucaryotes.

Une caractéristique essentielle de la plupart des cellules vivantes (procaryotes et eucaryotes) est leur capacité à se développer dans un environnement approprié et à subir une division cellulaire. La croissance d'une seule cellule et sa division ultérieure s'appelle le cycle cellulaire. Cependant, toutes les cellules ne se développent et ne se divisent pas continuellement, par exemple les neurones ne subissent qu'une phase de croissance initiale. Les procaryotes, en particulier les bactéries, réussissent extrêmement bien à se multiplier - il est probable que la sélection naturelle ait favorisé les organismes unicellulaires capables de croître et de se diviser rapidement. Les organismes multicellulaires commencent généralement leur vie sous la forme d'une seule cellule, généralement à la suite de la fusion d'une cellule sexuelle mâle et femelle (gamètes). La cellule unique doit croître, se diviser et se différencier en différents types cellulaires pour produire des tissus et, dans les eucaroties supérieurs, des organes. La division et la différenciation cellulaires doivent être contrôlées. Les cellules cancéreuses se développent sans contrôle et peuvent continuer à former des tumeurs. Le développement de cellules individuelles en organismes complexes est en soi un domaine d'étude appelé biologie du développement. Cette année, le prix Nobel de physiologie ou médecine a été décerné à des scientifiques pour les découvertes de régulateurs clés du cycle cellulaire.

Les cellules sont constituées de molécules.

2. Molécules de vie

Il existe quatre types fondamentaux de molécules impliquées dans la vie : (1) les petites molécules, (2) les protéines, (3) l'ADN et (4) l'ARN. Les protéines, l'ADN et l'ARN sont connus collectivement sous le nom de macromolécules biologiques.

2.1. Petites molécules

Ceux-ci peuvent être les éléments constitutifs des macromolécules ou ils peuvent avoir des rôles indépendants, tels que la transmission de signaux ou être une source d'énergie ou de matériau pour une cellule. Quelques exemples importants en plus de l'eau sont les sucres, les acides gras, les acides aminés et les nucléotides. Par exemple, les membranes biologiques sont construites à partir d'acides gras, dans lesquels des macromolécules sont incorporées. Il existe 20 molécules d'acides aminés différentes, qui sont les éléments constitutifs des protéines (pour être plus précis, il y a 19 acides aminés et une qui a une structure légèrement différente et est donc appelée acide imino).

Ce sont trois exemples de molécules d'acides aminés, il y en a 17 autres. Ils diffèrent par les chaînes latérales R qui déterminent leurs propriétés et l'ordre de ces différents acides aminés au sein de la protéine détermine la structure tridimensionnelle de la protéine. Il existe une convention selon laquelle chaque acide aminé est désigné par une lettre de l'alphabet latin, par exemple l'arginine est désignée par R, l'histidine par H, la lysine par L et il existe 20 de ces lettres.

2.2 Protéines

Les protéines sont les principaux éléments constitutifs et molécules fonctionnelles de la cellule, représentant près de 20% du poids d'une cellule eucaryote, la plus grande contribution après l'eau (70%). Entre autres, il y a

  • Les protéines structurelles, qui peuvent être considérées comme les éléments constitutifs de base de l'organisme. Un exemple est le collagène, qui est la principale protéine structurelle du tissu conjonctif et des os.
  • Les enzymes, qui effectuent (catalysent) une multitude de réactions biochimiques, telles que l'altération, l'assemblage ou le découpage d'autres molécules. Ensemble, ces réactions et les voies qu'elles constituent sont appelées métabolisme. Par exemple, la première étape de la voie de la glycolyse, qui est la conversion du glucose en glucose 6-phosphate, est catalysée par l'enzyme hexokinase. Habituellement, les enzymes sont très spécifiques et ne catalysent qu'un seul type de réaction, mais la même enzyme peut jouer un rôle dans plusieurs voies.
  • Les protéines transmembranaires sont essentielles au maintien de l'environnement cellulaire, à la régulation du volume cellulaire, à l'extraction et à la concentration de petites molécules de l'environnement extracellulaire et à la génération de gradients ioniques essentiels au fonctionnement des cellules musculaires et nerveuses. Un exemple est la pompe sodium/potassium.

Les protéines ont une structure tridimensionnelle (3D) complexe (voir la figure ci-dessous). On distingue quatre niveaux de structure protéique :

    Les protéines sont des chaînes de 20 types différents d'acides aminés, qui peuvent en principe être réunis dans n'importe quel ordre linéaire, parfois appelés chaînes polypeptidiques. Cette séquence d'acides aminés est connue sous le nom de structure primaire et peut être représentée comme une chaîne de 20 symboles différents (c'est-à-dire un mot sur l'alphabet commun de 20 lettres). Des informations sur les différentes séquences de protéines et les rôles fonctionnels des protéines respectives peuvent être trouvées dans la base de données Swissprot. Swissprot est un projet commun entre l'EBI et l'Institut suisse de bioinformatique (SIB). La longueur de la molécule de protéine peut varier de quelques à plusieurs milliers d'acides aminés. Par exemple, l'insuline est une petite protéine et elle se compose de 51 acides aminés, tandis que la titine a

Les protéines sont beaucoup trop petites pour être vues au microscope optique - une taille caractéristique des protéines varie d'environ 3 à 10 nanomètres (nm), c'est-à-dire 3 à 10 fois 10 -9 m, et la résolution (c'est-à-dire la découverte) de leur structure est un exercice difficile et coûteux (environ 󌍢,000 - �,000 par nouvelle structure), qui est effectué par diverses méthodes, notamment la cristallographie aux rayons X, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire et la microscopie électronique avancée. MSD est une base de données de structures protéiques connues, hébergée et développée à l'EBI. Les images ci-dessous montrent la structure de la triosephosphate isomérase visualisée par le logiciel RasMol, une visionneuse 3D pour les structures MSD.

Dans cette image, les bits de couleur magenta sont des hélices alpha, tandis que les bits jaunes sont des brins bêta.

Une vue alternative dans laquelle les deux unités monomères sont mises en évidence. La taille de cette protéine à l'état cristallisé est d'environ 13 x 7 x 5 nm. Les images ci-dessus ne sont que des modèles de ces molécules, car les molécules sont deux petites pour avoir une image "réelle". Par exemple, ils ne peuvent avoir aucune couleur conventionnelle, ils sont en mouvement constant, et lorsque nous commençons à zoomer sur une structure plus fine, les effets quantiques, tels que le principe d'incertitude de Heisenberg, commencent à jouer un rôle.

Il existe environ 15 000 structures de protéines déposées dans des bases de données publiques, bien que beaucoup d'entre elles soient très similaires les unes aux autres. Le fait de considérer deux structures protéiques similaires ou différentes dépend du seuil de similarité (comme pour les types cellulaires). Les biologistes structurels pensent qu'il existe actuellement environ 1 500 structures protéiques représentatives différentes connues.

Les quatre niveaux structurels sont essentiellement déterminés par la structure primaire (c'est-à-dire la séquence d'acides aminés) plus l'environnement physico-chimique où la molécule est placée. Prédire la structure des protéines à partir de la séquence d'acides aminés est l'un des problèmes les plus importants de la biologie computationnelle (un autre nom pour la bioinformatique, bien que certains essaient de faire une distinction entre ces deux termes) et est loin d'être résolu. Les éléments structurels caractéristiques et fréquemment récurrents sont appelés domaines protéiques. Parfois, il est possible d'identifier ces domaines dans des protéines de structure inconnue, si leur séquence est similaire à celle d'un domaine structurel connu. Les domaines structuraux sont souvent associés à une fonction protéique particulière. La similarité des protéines est également considérée comme le résultat d'une relation évolutive.

Quelles sont les tailles comparatives des protéines et des cellules ? Il y a un proverbe qui dit que la taille n'a pas d'importance. Les tailles comparatives peuvent néanmoins avoir de l'importance, en particulier si nous essayons d'imaginer les processus cellulaires décrits dans les sections suivantes. Une dimension linéaire typique (diamètre) d'une protéine globulaire est d'environ 5 x 10 -9 m, tandis que celle d'une cellule eucaryote est d'environ 5 x 10 -5 m. Cela signifie qu'une cellule est environ 10 000 fois plus grande qu'une protéine de manière linéaire. Alternativement, si nous estimons le poids moyen d'une cellule humaine à environ 10 -9 g, et nous rappelons que les protéines constituent environ un cinquième de la masse cellulaire, alors en supposant que le poids d'une protéine moyenne est d'environ 10 -19 g (disons que l'hémoglobine est 64 500 unités atomiques, dont chacune fait 1,66 x 10 -24 g), on voit qu'il y a 0,2 x 10 -9 / 10 -19 protéines par cellule, ce qui équivaut à deux milliards (2 x 10 9 ). Ce sont bien sûr des estimations très approximatives qui varient d'une cellule à l'autre. Si nous nous rappelons qu'il y a environ 6 x 10 13 cellules, nous voyons qu'il y a 30 000 fois plus de cellules par humain que de protéines par cellule. Cela peut être une indication de la complexité relative d'un humain par rapport à un seul organisme cellulaire (une estimation similaire concernant la complexité relative d'un éléphant ou d'un dinosaure et d'un humain peut ne pas être flatteuse pour un humain).

Bien que les forces telles que les liaisons hydrogène soient faibles individuellement, lorsque deux ou plusieurs macromolécules biologiques de formes complémentaires se rapprochent, la somme de toutes ces forces faibles peut amener les molécules à interagir assez fortement, par exemple pour les faire coller ensemble. En fait, de telles forces et interactions intermoléculaires faibles jouent un rôle fondamental dans la vie et sont à la base de pratiquement tous les processus biologiques. Par exemple, de nombreuses protéines peuvent se coller les unes aux autres pour former de grands complexes protéiques tels que l'ARN polymérase II de levure, qui lit et transcrit l'information génétique (voir Section 3.3), et qui a 10 sous-unités et dont la structure a été récemment résolue. Ces interactions faibles sous-tendent également le fonctionnement des puces à ADN, qui est discuté dans la dernière section.

2.3. ADN

L'ADN est la principale molécule porteuse d'informations dans une cellule. L'ADN peut être simple ou double brin. Une molécule d'ADN simple brin, également appelée polynucléotide, est une chaîne de petites molécules, appelées nucléotides. Il existe quatre nucléotides différents regroupés en deux types, les purines : l'adénosine et la guanine et les pyrimidines : la cytosine et la thymine. Ils sont généralement appelés bases (en fait les bases sont le seul élément distinctif entre différents nucléotides, voir figure ci-dessous) et désignés par leurs lettres initiales, A , C , G et T (à ne pas confondre avec les acides aminés !).

Différents nucléotides peuvent être liés ensemble dans n'importe quel ordre pour former un polynucléotide, par exemple, comme celui-ci

Les polynucléotides peuvent être de n'importe quelle longueur et peuvent avoir n'importe quelle séquence. Les deux extrémités de cette molécule sont chimiquement différentes, c'est-à-dire que la séquence a une directionnalité, comme celle-ci

La fin du polynucléotide est marquée soit 5' et 3' (cela a des raisons chimiques dans la numérotation des groupes –OH du cycle sucre) par convention, l'ADN est généralement écrit avec 5' à gauche et 3' à droite, avec le codage brin en haut. Deux de ces brins sont appelés complémentaires, si l'un peut être obtenu à partir de l'autre en échangeant mutuellement A avec T et C avec G, et en changeant la direction de la molécule à l'opposé. Par exemple,

est complémentaire du polynucléotide donné ci-dessus.
Des paires spécifiques de nucléotides peuvent former des liaisons faibles entre elles. A se lie à T, C se lie à G (pour être plus précis, deux liaisons hydrogène peuvent être formées entre chaque paire A-T et trois liaisons hydrogène entre chaque paire C-G). Bien que de telles interactions soient individuellement faibles, lorsque deux chaînes polynucléotidiques complémentaires plus longues se rencontrent, elles ont tendance à se coller, comme ceci

Les lignes verticales entre deux brins représentent les forces entre eux (pour être plus précis, nous pourrions tracer des lignes triples entre chaque C et G et des lignes doubles entre A et T) comme indiqué ci-dessous. Les paires A-T et G-C sont appelées paires de bases (pb). La longueur d'une molécule d'ADN est généralement mesurée en paires de bases ou en nucléotides (nt), ce qui dans ce contexte est la même chose.

Deux chaînes polynucléotidiques complémentaires forment une structure stable, qui ressemble à une hélice et est connue sous le nom de double hélice d'ADN. Environ 10 pb dans cette structure prend un tour complet, qui mesure environ 3,4 nm de long.

Cette structure a été découverte pour la première fois en 1953 à Cambridge par Watson et Crick (avec l'aide d'autres personnes), et le lieu de naissance de cette structure est souvent considéré comme le pub Eagle sur la rue Bene't. Plus tard, ils ont obtenu le prix Nobel pour cette découverte, pour en savoir plus, consultez le livre de Watson – The Double Helix.

Watson et Crick devant leur molécule modèle d'ADN

Il est remarquable que deux polypeptides d'ADN complémentaires forment une double hélice stable presque quelle que soit la séquence des nucléotides. Cela fait de la molécule d'ADN un support parfait pour le stockage d'informations. Notez que comme les brins sont complémentaires, chacun d'eux déterminant pleinement l'autre, donc à des fins d'information il suffit de donner un seul brin des molécules du génome. Ainsi, à de nombreuses fins d'information, la molécule utilisée dans l'exemple ci-dessus peut être représentée par CGATTCAACGATGC. La quantité maximale d'informations pouvant être codées dans une telle molécule est donc de 2 bits fois la longueur de la séquence. En notant que la distance entre les paires de nucléotides dans un ADN est d'environ 0,34 nm, nous pouvons calculer que la densité linéaire de stockage d'informations dans l'ADN est d'environ 6x10 8 bits/cm, soit environ 75 Go ou 12,5 CD-Roms par cm.

La complémentarité de deux brins dans l'ADN est exploitée pour copier (multiplier) des molécules d'ADN dans un processus connu sous le nom de réplication de l'ADN, dans lequel un ADN double brin est répliqué en deux identiques. (La double hélice d'ADN se déroule et bifurque pendant le processus, et un nouveau brin complémentaire est synthétisé par une machinerie moléculaire spécifique sur chaque branche de la fourche. Une fois le processus terminé, il y a deux molécules d'ADN identiques à l'original.) Dans une cellule cela se produit pendant la division cellulaire (voir Section 1) et une copie identique à l'original va à chacune des nouvelles cellules.

Notez que les composants mésappariés entre les brins polynucléotidiques sont possibles, si la somme totale des forces faibles entre les nucléotides complémentaires est suffisamment forte. Ainsi, les molécules comme

sont chimiquement possibles, bien qu'ils puissent être rares dans une cellule vivante. Plus de liaisons, c'est-à-dire plus de paires complémentaires, rend la molécule plus stable. S'il n'y a pas assez de liaisons, la structure moléculaire à deux brins peut devenir faible et les brins peuvent se séparer. Le nombre de liaisons nécessaires pour maintenir la double hélice ensemble dépend de la température (dite température de fusion) et d'autres facteurs environnementaux. L'ADN qui n'est plus sous forme hélicoïdale est dit dénaturé.

2.4. ARN

L'ARN comme l'ADN est construit à partir de nucléotides. Mais au lieu de la pyrimidine thymine (T), il a un uracile alternatif (U), qui ne se trouve pas dans l'ADN. En raison de cette différence mineure, l'ARN ne forme pas une double hélice, mais est généralement simple brin, mais peut avoir une structure spatiale complexe en raison de liens complémentaires entre les parties du même brin (comme par exemple dans l'ARNt, section 4.2). Le RMA a diverses fonctions dans une cellule, certaines d'entre elles discutées dans la section suivante, par exemple, l'ARNm et l'ARNt sont des types d'ARN fonctionnellement différents qui sont tous deux nécessaires à la synthèse des protéines discutée à la section 3.3.

L'ARN peut se lier de manière complémentaire à un seul brin d'une molécule d'ADN, même si T est remplacé par U, donc des molécules comme celle-ci

sont possibles et jouent en fait un rôle important dans les processus de la vie et dans la biotechnologie.

Il existe une hypothèse selon laquelle la première vie sur terre aurait pu être basée sur l'ARN. L'ARN peut coder des informations génétiques, est réplicable, forme des structures 3D complexes et peut également agir comme catalyseur pour certaines réactions chimiques liées à l'épissage (voir section 3.3).

3. Gènes et génomes

3.1 Chromosomes, génomes et séquençage

Dans une cellule typique, il y a une ou plusieurs longues molécules d'ADN double brin organisées en chromosomes. Chez les eucaryotes, les chromosomes ont une structure complexe où l'ADN est enroulé autour de protéines structurelles appelées histones. Un humain possède 23 paires de chromosomes , qui sont suffisamment gros pour être vus au microscope optique. La longueur totale de l'ADN dans une cellule humaine, si nous pouvions l'étirer, serait supérieure à 1 m. Les mitochondries (section 1) contiennent également de l'ADN, mais la quantité est minuscule par rapport à l'ADN chromasomique. L'ADN chromosomique et mitochondrial forme le génome de l'organisme. Tous les organismes ont des génomes et on pense qu'ils codent presque toutes les informations héréditaires de l'organisme. Chez les eucaryotes, les chromosomes se trouvent dans le noyau (à l'exception des génomes mitochondriaux), contenus par la membrane nucléaire. Toutes les cellules d'un organisme contiennent des génomes identiques (à quelques exceptions près) résultant de la réplication de l'ADN à chaque division cellulaire.

Il existe une machinerie moléculaire dans les cellules, qui maintient les deux brins d'ADN intacts et complémentaires (c'est-à-dire que si un brin est endommagé, il est réparé en utilisant le second comme matrice). Ceci est important car les dommages à l'ADN (causés par des facteurs environnementaux tels que les radiations) peuvent entraîner des ruptures dans l'un ou les deux brins, ou un mauvais appariement des bases, ce qui perturberait la réplication de l'ADN, entre autres. Si l'ADN endommagé n'est pas réparé, le résultat peut être la mort cellulaire ou des tumeurs. Les modifications de l'ADN génomique sont appelées mutations.

La taille totale du génome diffère assez considérablement dans différents organismes, comme indiqué dans le tableau ci-dessous.


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