Biologie moléculaire - Définition et Explications

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Liste de quelques biologistes moléculaires connus

  • Francis Crick
  • James D. Watson
  • Maurice Wilkins
  • Erwin Chargaff
  • Rosalind Franklin
  • Max Perutz
  • Susumu Tonegawa
  • Christiane Nüsslein-Volhard
  • Frederick Sanger (Frederick Sanger (13 août 1918 à Rendcombe, Grande-Bretagne) est un biochimiste...)
  • François Jacob (François Jacob, né le 17 juin 1920 à Nancy, est un chercheur en biologie...)
  • Jacques Monod (Jacques Monod, né à Paris le 9 février 1910 et mort à Cannes le...)

Techniques de biologie moléculaire

Depuis la fin des années 1950 et le début des années 1960, les biologistes moléculaires ont appris à caractériser, isoler et manipuler les composants moléculaires des cellules et des organismes. Ces composants incluent l'ADN, support de l'information génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est...), l'ARN, proche de l'ADN dont les fonctions vont de la copie provisoire d'ADN jusqu'aux réelles fonctions structurelles et enzymatiques et qui est une partie fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) et structurelle de l'appareil traductionnel, et les protéines, molécules structurelles et enzymatiques les plus importantes des cellules.

Clonage (Le clonage désigne principalement deux processus. C'est d'une part la multiplication naturelle...) d'expressions

Une des techniques les plus élémentaires en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....) moléculaire pour étudier le rôle des protéines est le clonage d'expressions. Dans cette technique, l'ADN codant la protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs...) qui nous intéresse est cloné en utilisant la réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) par polymérase (Les polymérases (nom tiré de polymère) (EC 2.7.7.6/7/19/48/49) sont des enzymes qui...) (PCR en anglais pour Polymerase Chain Reaction) et/ou des enzymes de restriction dans un plasmide (Un plasmide désigne en microbiologie ou en biologie moléculaire une molécule d'ADN disctincte de...) (qu'on appelle vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'expression). Ce plasmide peut avoir des éléments de séquences promotrices spéciales pour diriger la production de la protéine en question et peut aussi avoir des marqueurs de résistance antibiotique (Un antibiotique (du grec anti : « contre », et bios : « la...) pour aider à suivre le plasmide.

Ce plasmide peut être inséré dans des cellules, soit de bactérie (Les bactéries (Bacteria) sont des organismes vivants unicellulaires procaryotes, caractérisées...), soit d'animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un...). Introduire de l'ADN dans des cellules bactériennes est appelé transformation, et cela peut être complété de plusieurs manières : électroporation, micro-injection, consommation passive et conjugaison. Introduire de l'ADN dans des cellules d'eucaryotes, telles que des cellules animales, est appelé transfection. Plusieurs techniques différentes de transfection sont disponibles : transfection calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.) phosphate (Un phosphate, en chimie inorganique, est un sel d'acide phosphorique résultant de l'attaque...), transfection de liposomes ou lipofection, électroporation ou encore par réactifs de transfection propriétaires tels que le Fugene. L'ADN peut alors être introduit dans les cellules en utilisant des virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise...) ou des bactéries pathogènes comme transporteurs. Dans de tels cas, la technique est appelée transduction virale/bactérienne, et les cellules sont dites transduites.

Dans les deux cas, le codage (De façon générale un codage permet de passer d'une représentation des...) ADN pour la protéine qui nous intéresse est maintenant à l'intérieur d'une cellule, et la protéine peut maintenant s'exprimer. Une variété de systèmes, tels que des promoteurs inductibles et des facteurs spécifiques signalant les cellules, sont disponibles pour aider la protéine qui nous intéresse à s'exprimer à haut niveau. De grandes quantités de protéines peuvent alors être extraites de la cellule bactérienne ou eucaryote. La protéine peut être testée pour connaître son activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) enzymatique dans une variété de situations, elle peut être cristallisée pour qu'on puisse étudier sa structure tertiaire, ou, dans l'industrie pharmaceutique (L'industrie pharmaceutique est le secteur économique qui regroupe les activités de...), on peut étudier l'activité de nouveaux médicaments sur la protéine en question.

Réaction en chaîne par polymérase

La réaction en chaîne par polymérase (PCR en anglais, pour Polymerase Chain Reaction) est une technique extrêmement flexible de copie d'ADN. En gros, la PCR permet à une simple séquence d'ADN d'être copiée des millions de fois, ou d'être altérée par des moyens prédéterminés. Par exemple, la PCR peut être utilisée pour introduire des sites d'enzymes de restriction, ou pour muter (changer) des bases particulières de l'ADN. La PCR peut aussi être utilisée pour déterminer si un fragment particulier d'ADN se trouve dans une bibliothèque d'ADN complémentaires. La PCR a de nombreuses variations, comme la PCR à transcription inversée (RT-PCR en anglais pour Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction) pour l'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...) de l'ARN, et, plus récemment, la PCR temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel (qPCR) qui permet des mesures quantitatives de molécules d'ADN et d'ARN.

Électrophorèse

L'électrophorèse est un des principaux outils de biologie moléculaire. Le principe de base est que l'ADN, l'ARN et les protéines peuvent être séparées par des champs électriques. Dans l'électrophorèse en gel d'agarose, l'ADN et l'ARN peuvent être séparés en fonction de leur taille en faisant circuler l'ADN à travers un gel d'agarose. Les protéines peuvent être séparées en fonction de leur taille en utilisant un gel SDS-PAGE. Les protéines peuvent aussi être séparées par leur charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...), en utilisant ce qu'on appelle un gel isoélectrique.

Southern (Southern est le nouveau nom de la concession ferroviaire, initialement exploitée par Connex South...) blot

Nommé ainsi d'après le nom de son inventeur, le biologiste (Sur les autres projets Wikimédia :) Edwin Southern, le southern blot est une méthode pour sonder la présence d'une séquence précise d'ADN à l'intérieur d'un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) d'ADN. Des échantillons d'ADN avant ou après digestion (La digestion est le processus au cours duquel un organisme vivant reçoit du milieu...) par une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant...) de restriction sont séparés par électrophorèse et transférés sur une membrane par marquage via action capillaire. La membrane peut alors être testée en utilisant une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) ADN marquée avec un complément de la séquence en question. À l'origine, la plupart des protocoles utilisaient des marqueurs radioactifs ; cependant, maintenant, il existe des possibilités de marquages non radioactifs. Le Southern blot est utilisé moins souvent dans les laboratoires, du fait que la PCR permet déjà de détecter des séquences ADN spécifiques à partir d'échantillons d'ADN. Cependant, ces marquages sont encore utilisés pour certaines applications, telles que la mesure du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de copies transgéniques dans les souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant...) transgéniques, ou dans l'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) de lignes de cellules souches embryonnaires à gènes invalidés.

Northern blot

Le Northern blot est utilisé pour étudier les modèles d'expression d'un type spécifique de molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) d'ARN en comparaison relative avec un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) de différents échantillons d'ARN. C'est essentiellement une combinaison (Une combinaison peut être :) d'une dénaturation d'électrophorèse d'ARN, et d'un blot. Dans ce processus, l'ARN est séparé en fonction de la taille, puis est transféré sur une membrane qui est alors sondée avec un complément marqué pour la séquence intéressante. Les résultats peuvent être visualisés d'une variété de façons selon le marquage utilisé ; cependant, la plupart conduisent à une révélation de bandes représentant la taille de l'ARN détecté dans l'échantillon. L'intensité de ces bandes est liée à la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'ARN ciblé dans les échantillons analysés. Le procédé est utilisé généralement pour étudier quand et combien d'expressions de gènes se produisent en mesurant la quantité de cet ARN présent dans les différents échantillons. C'est un des outils les plus fondamentaux pour déterminer quand certains gènes s'expriment dans les tissus vivants.

Western blot (Un transfert de protéines (également appelé western blot ou buvardage de western),...)

Séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) des protéines par électrophorèse SDS-PAGE uniquement en fonction de leur taille (le SDS, ou sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un...) dodécylsulfate, dénature les structures tertiaire et quaternaire des protéines et les charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) toutes négativement), puis transfert des protéines séparées sur membrane pour les rendre accessibles à divers marquages immunologiques ou autres.

Les anticorps pour la plupart des protéines peuvent être créés par injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) de petites quantités de protéine cible dans les animaux tels que la souris, le lapin (Le mot lapin (/lapε̃/) est un terme très général qui désigne plus...), le mouton (Le mouton (Ovis aries) est un mammifère domestique herbivore de la famille des bovidés,...) ou l'âne (anticorps polyclonaux) ou produits dans une culture (La définition que donne l'UNESCO de la culture est la suivante [1] :) de cellules (anticorps monoclonaux). Ces anticorps peuvent être utilisés dans une variété de techniques analytiques et préparatives.

Dans le Western blot (immunobuvardage), les protéines sont d'abord séparées en fonction de leur taille, dans un gel fin pris entre deux plaques de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) par une technique qu'on appelle SDS-PAGE (pour Sodium Dodecyl Sulphate Poly-Acrylamide Gel Electrophoresis). Les protéines dans le gel sont alors transférées sur un PVDF, nitrocellulose, nylon ou autre membrane de support. Cette membrane peut alors être sondée avec des solutions d'anticorps. Les anticorps qui s'attachent spécifiquement à la protéine en question peuvent alors être visualisés selon une variété de techniques, dont la colorimétrie, la chimiluminescence ou l'autoradiographie.

Des méthodes analogues de Western blot peuvent aussi être utilisées pour marquer directement des protéines spécifiques dans des cellules et des sections de tissus. Cependant, ces méthodes de marquages immunologiques sont plutôt associées à la biologie cellulaire qu'à la biologie moléculaire.

Les termes Western et Northern sont des jeux de mots : les premiers blots étaient sur l'ADN, et comme ils ont été faits par Edwin Southern, ils ont pris le nom de Southern (southern veut dire « du sud » en anglais ; tandis que western signifie « de l'ouest » et northern, « du nord »). Il est peu probable que Patricia Thomas, inventeuse du blot ARN, qui est devenu le Northern blot, utilise vraiment ce terme. Pour pousser la plaisanterie plus loin, on peut trouver, dans la littérature [1], des références vers des south-westerns (« du sud-ouest ») (interactions protéine-ADN) et des far-westerns (du « far-ouest ») (interactions protéine-protéine).

Puce à ADN

Une puce à ADN, aussi appelée microarray, est une collection de milliers de puits microscopiques sur un support solide tel qu'une lame de microscope; chaque puits contient un grand nombre de fragments d'ADN identiques qui permet de mesurer l'expression d'un gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) particulier par complémentarité de séquence avec ARN correspondant. Les puces permettent ainsi de connaitre le transcriptome, c'est-à-dire l'ensemble des gènes transcrit à un moment donné dans un groupe de cellules données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...).

Il y a plusieurs manières différentes de fabriquer des puces à ADN ; les plus courantes sont les puces à silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...), lames de microscope dont les taches ont 100 microns de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), les puces qu'on peut adapter à ses besoins, et celles avec des taches plus grosses sur des membranes poreuses (macropuces).

Les puces peuvent aussi être fabriquées pour des molécules autres que l'ADN. Par exemple, une puce à anticorps peut être utilisée pour déterminer quelle protéine ou bactérie est présente dans un échantillon de sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le...).

Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) abandonnée

Au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île...) et à mesure que de nouvelles procédures et de nouvelles technologies sont devenues disponibles, les anciennes sont rapidement abandonnées. Des exemples typiques sont les méthodes pour déterminer la taille des molécules d'ADN. Avant l'électrophorèse, avec agarose et polyacrylamide, on calculait la taille de l'ADN par sédimentation dans des gradients sucrés, une technologie lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) et laborieuse nécessitant une instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :) coûteuse ; et avant les gradients sucrés, on utilisait la viscométrie.

Indépendamment de leur intérêt historique, il est intéressant de connaître les anciennes techniques car cela peut être utile pour résoudre des problèmes particuliers.

Histoire

La biologie moléculaire est apparue dans les années 1930, le terme n'ayant cependant été inventé qu'en 1938 par Warren Weaver. Warren Weaver était à l'époque directeur des Sciences Naturelles pour la Fondation Rockefeller et pensait que la biologie était sur le point (Graphie) de vivre une période de changements significatifs étant données les avancées récentes dans les domaines tels que la diffractométrie de rayons X (La diffractométrie de rayons X (DRX, on utilise aussi souvent l'abréviation anglaise XRD...). Il a donc investi des sommes importantes provenant de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Rockefeller dans les domaines biologiques.

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