Les puces à ADN permettent de déterminer l'expression des gènes d'une cellule.

16 Pages·2010·2.55 MB·French

Les puces à ADN permettent
de déterminer l’expression
des gènes d’une cellule.
© C. DUPONT/CEA
édito
DOSSIER Les nouveaux horizons de la biologie
Les nouveaux
Alors que la première
«bactérie synthétique» américaine
fait l’actualité depuis quelques semaines, nous horizons
avons choisi de consacrer le dossier du Journal
du centre CEA de Saclayaux nouvelles
approches de la biologie permises par les
moyens technologiques nouveaux et plus
puissants dont disposent les chercheurs.
Àmesure que les connaissances progressent,
lacomplexité et la variabilité du vivant se de la biologie
dévoilent. Les techniques modernes fournissent
quantité de données expérimentales générant
une masse colossale d’informations à traiter et
l’on assiste à une
Les techniques modernes au service de la biologie
véritable mutation
“
LA COMPLEXITÉ de la biologie. permettent de traiter d’énormes quantités d’informations
«Invité» du
ET LA VARIABILITÉ concernant la physiologie des cellules vivantes.
Journal, le
DU VIVANT SE directeur de Ce dossier vous propose de découvrir ces nouvelles
l’IHÉS*, Jean-Pierre
DÉVOILENT ” approches à partir de brèves interviews de chercheurs.
Bourguignon,
explique dans ce
numéro quelques- J
usqu’à il y a une dizaine d’années, la que possible un domaine de la cellule vivante.
unes des spécificités de cet institut prestigieux,
biologie moléculaire classique étudiait C’est ce qui caractérise les approches en «omi-
si important pour les mathématiques et la un gène puis un autre, un produit de que». Le terme génomique est sans doute le
physique, qui entretient des liens avec les ce gène puis un autre et se proposait plus connu du grand public mais il faut parler
physiciens théoriciens de Saclay et compte de mieux comprendre leurs rôles ou leurs fonc- aussi de protéomique, de métabolomique, etc.
parmi les vingt-trois partenaires du campus du tions. Désormais, on explore aussi complètement La puissance des outils a tout changé. Au
Plateau de Saclay.
L’année à venir s’annonce très féconde pour
lecampus grâce à l’emprunt national lancé Séquençage de génomes:200 millions de séquences
parle président de la République. Cet outil peuvent aujourd’hui être lues d’un coup. Le Centre
national de séquençage à Évry, est rattaché depuis
exceptionnel va modeler le paysage de la
2007 au centre CEA de Fontenay-aux-Roses.
recherche sur le long terme. Tandis que les
premiers bâtiments emblématiques du
campus –Digiteo pour les technologies de
l’information et de la communication et
Nano-INNOV pour les nanosciences–
commencent à sortir de terre, tous les acteurs
du Plateau de Saclay sontplus que jamais
mobilisés pour réfléchir ensemble aux
rapprochements les plus pertinents et pour
construire des projets scientifiques innovants.
*Institut des hautes études scientifiques.
Yves Caristan,
Directeur du centre CEA
de Saclay
6
CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL
Les nouveaux horizons de la biologie DOSSIER
La machinerie cellulaire
La cellule est l’unité de toute vie, tout ce qui est
vivant est cellulaire. Chacune contient au moins
Activateurs une molécule d’ADN*qui peut se comparer à un
long parchemin écrit recto-verso. Le texte qui y
Fin est écrit est composé de chapitres, les gènes,
formés de mots appelés nucléotides, rédigés dans
un alphabet de quatre lettres:les bases «A»,
ADN «T», «C », «G». L’ensemble des gènes constitue
ARN le génomequi contient toutes les informations
Polymérase nécessaires à la vie de la cellule. Des agents,
qu’on appellera activateurs, sont sensibles aux
Transcription besoins de la cellule, mais aussi aux informations
de l’extérieur. Ils indiquent l’emplacement des
chapitres qui contiennent les informations
Autres
adaptées au problème du moment à des copistes
protéines Métabolites
qu’on appellera polymérases. Lespolymérases
transcrivent ces chapitres dans leur propre
ARNmessager langue pour former des messages, les ARN
messagers. Les messages sont décodés par un
ensemble de traducteurs, les ribosomes, qui
synthétiseront les protéines dont la cellule a
besoin. Certaines protéines dites fonctionnelles
Protéines
Protéines fonctionnelles permettent, entre autres, à la cellule de
fonctionner en transformant les composés
organiques, les métabolites, qui sont nécessaires
Ribosome à tout être vivant. Les cellules les plus évoluées
Traduction abritent des milliers de petites capsules, les
mitochondries, qui renferment, elles aussi, une
molécule d’ADN, héritée, depuis un lointain passé,
de bactéries. Les mitochondries sont les
raffineries qui fournissent à la cellule le carburant
dont elle abesoin.
* Cette molécule d’ADN est un chromosome, en général unique et
circulaire pour les bactéries, ils sont 46 et prennent l’apparence
d’un X ou d’un Y chez l’homme.
début des années 1990, les séquenceurs, qui alors que celui-ci compte 150 fois plus de gènes
permettent de connaître les «instructions» que le génome humain!
que renferme un fragment d'ADN, pouvaient Ce qui est vrai pour le génome l’est tout autant
lire 96 séquences à la fois. En un an, les cher- pour les autres domaines omiques. Les trans-
cheurs qui travaillaient sur le génome humain criptomes1, les protéomes2 ou les métabolomes3
pouvaient espérer lire quelques millions de ces sont étudiés non plus au cas par cas, mais en
séquences. À ce rythme, il leur aurait fallu près masse. Ces nouvelles approches permettent
d'un siècle pour achever le séquençage des l’émergence de la biologie intégrative qui s’in-
4 milliards de bases du génome humain. téresse à la physiologie complète des cellules.
Aujourd’hui, ce sont 200 millions de séquences Nouvelles techniques et nouvelles approches,
qui peuvent être lues d’un coup. Une tâche, les omiques se révèlent aussi comme des
qui durait une année il y a 10 ans, prend sources quasi-inépuisables d'hypothèses de
aujourd'hui trois jours avec un séquenceur travail pour les biologistes.
moderne. En parallèle, le coût du séquençage
d’un génome humain est passé de 300 millions 1/Ensemble des résultats de transcription de séquences
de dollars en 2003 à 4 400 en 2009, et appro- d’ADN en ARN.
2/Ensemble des protéines présentes dans la cellule.
chera le millier de dollars d’ici quelques
3/Ensemble des produits issus du métabolisme de
années. la cellule.
Les progrès des outils d’analyse permettent des
études qui embrassent un champ plus large
encore que les seules cellules de notre corps.
L’iBiTec-S
On s’intéresse par exemple aux 170 familles
de bactéries qui nous accompagnent et qui L’Institut de biologie et de technologies de Saclay (iBiTec-S)
dépend de la Direction des sciences du vivant du CEA.
sont au moins dix fois plus nombreuses que nos
Il regroupe une cinquantaine d'équipes de recherche composées
propres cellules. Ainsi, récemment c’est l’en-
de biologistes, biophysiciens et chimistes dont les activités
semble des gènes des bactéries hébergées par concernent les biotechnologies, la radiobiologie, les mécanismes
le tube digestif humain dont on a publié le et constituants cellulaires, la biosécurité et les bioénergies.
© F. RHODES/CEA séquençage, ou plus exactement le métagénome, CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL 3
DOSSIER Les nouveaux horizons de la biologie
«
C’est de la
capacité à gérer les
données que viendra
DÉFINITION
la limitation de
La génomiqueest l’étude du
© H. DUVEAU/CEA tlersa vnaôutrxe cso. m» me ggéénnéotmiqeu (ee dn'suenm inbdleiv diduu m).atériel
Jean-Marc Elaloufest Céline Bonest doctorante
responsable du Laboratoire au Laboratoire de physio-
de physio-génomique de génomique de l'iBiTec-S.
l'iBiTec-S. © J. CLOTTES
Des gènes sont encore présents dans les déjections
d’hyène fossilisées, retrouvées dans la grotte Chauvet.
Génomique : les grottes Leur analyse permet d’apprendre quels animaux
consommaient ces prédateurs.
et la faune préhistorique
La paléogénomique permet de retrouver les gènes
d’espèces animales disparues. Grâce à la puissance
des nouveaux outils, nous pouvons aussi découvrir
les habitudes alimentaires des prédateurs de la
grotte Chauvet.
Dans la famille omiques, quelle est Ce fut un travail difficile? consommés. Parmi les victimes de ces redouta-
votre carte? J.-M.E.:Long surtout. Pour séquencer le pre- bles prédateurs, on trouve un grand herbivore,
Jean-Marc Elalouf:La paléogénomique, c’est-à- mier génome mitochondrial d’ours nous avons le cerf élaphe. Mais surtout, grâce à ces nou-
dire la génomique de spécimens anciens, appar- mis quatre ans. Avec les séquenceurs modernes, veaux outils, nos résultats ne se limitent plus aux
tenant quelquefois à des espèces éteintes. Nous quelques jours suffisent. Grâce à cela, nous génomes mitochondriaux. Nous obtenons aussi
nous intéressons aux vestiges de la grotte Chau- pouvons nous permettre d’avoir une approche beaucoup de séquences d’ADN nucléaire, ce qui
vet en Ardèche, dont les dessins pariétaux métagénomique. permet une caractérisation beaucoup plus fine
remontent à 31000 ans. Ils sont les plus anciens du patrimoine génétique de ces animaux.
connus. On y a retrouvé un très grand nombre Qu’est-ce que la métagénomique?
d’ossements d’ours de la même époque. Mon Cécile Bon:Il s’agit d’étudier le génome de tous Mais comment faites-vous pour vous
travail, et celui de Céline Bon, a été d’en savoir les êtres vivants d’un écosystème. Par exemple, y retrouver dans tous ces morceaux
plus sur ces ours. votre intestin abrite des centaines de types de d’ADN mélangés?
bactéries différentes, dont certaines restent J.-M.E.:Nous nous servons de bases de données
Pourquoi s’intéresser à des ossements inconnues parce qu’on ne sait pas les cultiver en internationales de séquences d’ADN comme
aussi anciens? laboratoire. Par contre, on peut découvrir l’ADN GenBank.
J.-M.E.:Parce qu’il s’agit d’ours des cavernes de ces bactéries en analysant à l’aveugle tous les C’est certainement de la capacité à gérer les don-
dont l’espèce s’est éteinte il y a 20000 ans. génomes contenus dans les selles, ce qui apporte nées que viendra la limitation de travaux comme
L’idée était de situer cet ours dans l’arbre phy- énormément de renseignements. les nôtres. Dans les années à venir, nous savons
logénétique1en comparant son génome à celui déjà que nos besoins vont largement dépendre
des ours modernes. Vous étudiez donc des excréments des capacités de stockage informatique, et de
trouvés dans les grottes? nos propres facultés d’analyse et de synthèse!
Comment avez-vous fait? C.B.:Oui, tout à fait. Nous travaillons sur des
1/Un arbre phylogénétique est un arbre qui décrit les
J.-M.E.:Il ne reste pas grand-chose de l’ADN déjections de hyènes et de loups qui se sont relations évolutives entre espèces. 2/L’ADN nucléaire est
nucléaire2dans des ossements aussi vieux. Par fossilisées et sont devenues des coprolithes. localisé dans le noyau des cellules eucaryotes (plantes,
contre, on retrouve «facilement» l’ADN mito- champignons, animaux). Il est hérité pour moitié du père
chondrial3, car il est initialement présent en plus Il y avait des ours, des hyènes et des eLt’A pDoNu rn lu'acluétarier em doeist iaén diem laau mx èsree c. ompte en milliards de
grande quantité. L’autre avantage de l’ADN du loups à Chauvet. Quoi d’autre? bases nucléotidiques. 3/L’ADN mitochondrial est celui
génome mitochondrial est qu’il n’est transmis C.B.:En étudiant le métagénome des copro- des mitochondries, structures destinées à fournir l’énergie
aux cellules eucaryotes. Elles possèdent leurs propres
que par la mère, ce qui facilite la reconstruction lithes, nous en apprenons beaucoup sur les
génomes dont la taille se compte en milliers de bases
phylogénétique. hyènes, mais aussi sur les animaux qu’elles ont nucléotidiques.
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CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL
Les nouveaux horizons de la biologie DOSSIER
Métagénomique : DÉFINITION
La métagénomiqueconsiste
en l’étude collective des
la chimie verte des enzymes génomes de populations
bactériennes d'un milieu donné.
La majeure partie de la vie sur Terre est bactérienne. L’étude collective de
génomes d’espèces bactériennes indifférenciées permet d’en apprendre plus
sur ce règne du vivant inconnu à 99%. La recherche et l’inventaire de leurs
enzymes bénéficieront à la chimie verte.
«
Que signifie pour vous les omiques? la carte du génome humain. Depuis les séquen-
Jean Weissenbach:Pour moi, c’est avant tout la ceurs sont des dizaines de milliers de fois plus L’avenir de la chimie
prise en considération de toutes les informations rapides et ils vont continuer à s’améliorer!La
passe par l’utilisation
dont on dispose sur une cellule afin d’en étudier limite sera l’informatique:les masses de don-
la physiologie. Certains parlent d’une révolution nées sont déjà colossales et elles vont grossir des enzymes comme
omique. S’il y en a une, celle-ci est plus dans la encore.
façon dont travaillent les gens, dans la manière biocatalyseurs. »
d’appréhender les problèmes. Si on continue à Ces améliorations ont-elles influencé
s’intéresser à des systèmes biologiques isolés, votre travail?
«les approches omiques» permettent de consi- J.W.:Avec les machines actuelles, grâce aux
dérer la cellule et les organismes dans leur importantes diminutions de coûts, nous pou-
ensemble. vons faire de la métagénomique, c’est-à-dire
CcJatmi.ueloasW sg lmc aé.tod:nemniDcoechmsaee ngnnpeést ti hnulq evuéeustolm isaeqy napuseinoenz?ésu - p.e vr Isa ol a r1aucb9 efos8a rq 0lldluu’,e é’j oercv ni mlnoe mql ep ua asrntnuoisqibos pu linèoanmu itdtér edr ef e’adosieusrées- cancsaoeoeunueunlas aml nlde.yé aéemstNît eataermorigeen us.éint ilsNn mlt1 i ooeau%tmurvolsost ued a nnt denb sos'éaje u ubmccssstaph étescèoerontc iiémtesea rinlss imee s,cs essaee a gzslstonè toierpnnsns utet déqf sicorséu udesrmesalcet séln aiécevmtressaec ntembshrt nlèeaeapts isc on c tlheuaeeôinssrrt- © CNRS PHOTOTHÈQUE/CHRISTOPHE LEBEDINSKY
laboratoire alors qu’elles représentent près de la
Jean Weissenbachest
moitié de la biomasse sur Terre.
directeur de l’Institut de
© F. RHODES/CEA
L’environnement est-il une nouvelle génomique du CEA et directeur
orientation ? du Genoscope, rattaché à cet
J.W.:Non, lorsque le Genoscope a été créé en institut depuis 2007.
1997, il était entendu que ce grand instrument
de recherche ne travaillerait pas uniquement sur
le génome humain mais aussi sur les espèces
modèles ou d'intérêt économique ainsi que sur Et maintenant?
l’environnement et la biodiversité. J.W.:En 2008, nous avons créé un laboratoire
pour identifier de nouvelles réactions enzyma-
Qu’avez-vous fait pour y arriver? tiques1en exploitant les séquences génétiques
J.W.:Avec le projet Cloaca maxima, nous nous bactériennes découvertes par le Genoscope ou
sommes intéressés à la flore bactérienne des disponibles dans les bases de données publiques.
boues de la station d’épuration de la ville d’Évry. Nous poursuivons l'extension du catalogue des
La connaissance de cette flore est essentielle enzymes chez les bactéries dont un grand nom-
pour comprendre le processus d’épuration des bre reste inconnu. Selon moi, l’utilisation de ces
eaux dans l’objectif du développement durable. enzymes comme biocatalyseurs dans des procé-
Nous avons découvert des milliers de gènes dés industriels pourra régler une bonne partie
sans pour autant savoir à quoi ils correspondent. des problèmes qui sont posés à la chimie d’au-
On a même pu reconstituer le génome complet jourd’hui et de demain, qui entreprend de
d’une bactérie qu’on ne sait toujours pas culti- devenir une chimie verte, respectueuse de l’en-
ver. À vrai dire, on a découvert que l’on ne sait vironnement, peu ou pas polluante et beaucoup
pas trop ce qu’on sait. plus économe en énergie.
1/Les enzymes sont des protéines qui catalysent les
réactions chimiques dans les organismes vivants. Les
Préparation d’un échantillon d’ADN à séquencer, protéines qui transforment les métabolites sont des
au Centre national de séquençage à Évry. enzymes.
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CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL
DOSSIER Les nouveaux horizons de la biologie
«
La métabolomique est la porte
© H. DUVEAU/CEA obuiovleorgtiee àd elas scyosmtèpmréehs evnivsaionnt sd.e» la
Éric Ezanest responsable Christophe Junotest
du Laboratoire d'étude chercheur au Laboratoire
du métabolisme des d'étude du métabolisme des
médicaments de l’iBiTec-S. médicaments de l’iBiTec-S.
Le miroir métabolomique
DÉFINITION
La métabolomiqueest l’étude du
Les métabolites sont le résultat du métabolisme des cellules. métabolome, l'ensemble des métabolites,
produits issus de la transformation d’une
Leur étude à grande échelle permet de mieux comprendre le vivant.
substance de l’organisme.
Mais tout, ou presque, reste à découvrir.
Que sont les métabolites? Et comment les étudier? estime qu’on ne connaît que 10 à 20% des méta-
Éric Ezan:Ce sont des composés organiques de C.J.:On utilise des appareils de chromatogra- bolites contenus dans un échantillon biologique.
petite taille fabriqués ou dégradés par les pro- phie qui fractionnent le contenu de cellules
téines des cellules. Certains peuvent venir de broyées ou de fluides physiologiques. Le produit Comment faites-vous alors?
l’extérieur, de la nourriture par exemple. Cer- de ce fractionnement est injecté directement É.E.:Nous sommes en relation avec les ingé-
tains de ces composés, les métabolites primai- dans les spectromètres de masse capables de nieurs du List1, spécialistes en traitement du
res, sont indispensables à la vie de la cellule et détecter les molécules organiques. signal, qui nous aident à découper intelligem-
on les retrouve dans tous les organismes vivants. É.E.:La sensibilité de ces machines a fait des ment les informations des spectres de masse.
Il s'agit par exemple du glucose ou des acides progrès colossaux ces dernières années. Nos ins- Nous travaillons aussi avec des chimistes
aminés. truments se sont autant améliorés en dix ans que organiciens, des pharmaciens, des médecins,
Christophe Junot:D’autres composés, appelés ceux des astronomes en un siècle. des qualiticiens, des physiciens et des mathé-
métabolites secondaires, assurent des fonctions maticiens.
spécifiques d'un type d’organisme, comme les Les instruments font tout? C.J.:Notre force est dans l’analyse des données,
hormones ou les neurotransmetteurs. É.E.:Certainement pas. Plus l’outil est précis, qui exige le développement d'outilsbioinforma-
plus les résultats sont complexes à analyser. Un tiques et statistiques. Le CEA permet justement
Pourquoi les étudier? spectre de masse peut contenir 5000 signaux de regrouper des experts de ces domaines. À
É.E.:Ces molécules reflètent notre état physio- parmi lesquels seuls quelques-uns présentent un titre d'exemple, la personne qui m’a formé aux
logique. Elles peuvent servir de biomarqueurs intérêt pour nous. Chaque spectre de masse analyses statistiques «multivariées» est chi-
permettant de révéler certaines pathologies ou pourrait se comparer à une montagne inconnue miste et s'occupait à l'époque de sûreté des
de suivre leur évolution. La médecine du futur qu’il faut découvrir et cartographier. installations nucléaires. L’analyse est une affaire
analysera notre métabolome à partir d’une goutte C.J.:Pour trouver quelque chose, il faut savoir le de chercheurs. Sans elle, la révolution des tech-
de sang. Le sang est un miroir de notre corps. reconnaître. Et cela n’est pas toujours le cas, on niques omiques ne signifie rien.
C.J.:Les plantes, qui ne peuvent pas se déplacer
1/List: Laboratoire d’intégration des systèmes et technologies du CEA.
pour échapper à leurs prédateurs, ont développé
dmmeéastu aaxbr eomtl ibetese sad.u Eecl oldeuésp fee dnn’ efsaenb tcrreihq ieumuexinq ntu poelusu ssq i qnuuti éesr oleenssst ea lnnetis-. © L. GODART/CEA
É.E.:La métabolomique est la porte ouverte à
la compréhension de la biologie des systèmes
vivants. C’est pourquoi nous participons à de
grands projets sur la microbiologie, le contrôle
alimentaire et le cancer.
La spectrométrie de masse
permet d’analyser les sous-produits
de l’activité cellulaire.
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CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL
Les nouveaux horizons de la biologie DOSSIER
L’expression de
quelque 26 000 gènes
humains peut être
analysée sur cette
puce à ADN.
DÉFINITION
Latranscriptomiqueest
l’étude du transcriptome,
© C. DUPONT/CEA lt'reannssecmribtsle à d peasr tAirR dN' umn egsésnaogmeres.
L’espoir transcriptomique
La façon de lire l’ADN importe autant que son contenu. C’est l’objet
de la transcriptomique qui ouvre des perspectives concernant certaines
maladies comme le cancer. Mais nous n’en sommes qu’au début.
«
Cette phase de recherche
On entend souvent parler d’ADN, mais
fondamentale va permettre
rarement d’ARN. De quoi s’agit-il?
Michel Werner:L'ARN est une molécule très de comprendre un certain
proche de l'ADN. Elle est synthétisée dans les
cel'AestlR luNuln epeso uàcr op fpaairbetr.i irqL due'eusr n cleee slm lpuarloterstié cvieni vdea'sAndDtoeNns td ueotllnieltiss eoelnnlett nombre pdae tdhéorlèogglieqmueens.ts» © H. DUVEAU/CEA
besoin. Notre domaine d’étude concerne une Michel Wernerest chercheur
protéine, une polymérase, chargée de synthéti- au Laboratoire régulation de
ser l’ARN messager. Le moment où elle agit est Ce sont les activateurs qui indiquent à l’ARN l'expression des gènes et
aussi important que le contenu de l’ADN dont polymérase les séquences à transcrire. Nous épigénétique de l'iBiTec-S.
elle permet le décodage. essayons de comprendre comment ces différents
acteurs agissent les uns sur les autres.
Que fait cette ARN polymérase? ques. Sans elle, il sera impossible d’aller vers une
M.W.:Elle fixe des parties très précises de Comment vous y prenez-vous? recherche finalisée exploitable par la médecine.
l’ADN à partir desquelles elle synthétise l’ARN M.W.:Nous analysons les brins d’ARN messa- La vitesse à laquelle avance la biologie est hal-
messager. Ce qui nous intéresse, ce sont les gers produits alors qu’on a modifié ces activa- lucinante. Nous travaillons sur la levure et la
mécanismes qui amènent physiquement cette teurs ou qu’on leur a proposé différents signaux. souris. La transcriptomique de la levure n’est pas
protéine au site à transcrire. Les connaissances C’est ici qu’interviennent les techniques propres encore achevée. C’est une démarche systémati-
à ce sujet évoluent très vite. On sait déjà que son aux omiques. Nous avons commencé il y a une que, et comme la levure est relativement bien
dysfonctionnement peut amener à des maladies dizaine d’années avec les puces à ADN qui per- connue par ailleurs, nous continuons de travail-
génétiques ou des cancers. mettent maintenant de suivre simultanément ler avec des puces à ADN. Aujourd’hui, nous
tous les ARN produits par une cellule. avons une idée de ce qui se passe, même si
Sait-on comment fonctionnent ces Aujourd’hui, nous utilisons aussi des séquen- l’échelle est encore grossière.
mécanismes? ceurs à haut débit, plus gros, plus chers, mais qui
M.W.:Des protéines, appelées activateurs de la permettent une bien meilleure résolution. L’avenir?
transcription, sont sensibles aux signaux chimi- M.W.:Pour les mammifères, comme la souris ou
ques qui proviennent de l’extérieur de la cellule, Où en êtes-vous de vos recherches? l’homme, qui sont bien plus complexes, nous n’en
ou qui sont produits par celle-ci. Ces activateurs M.W.:Il faut bien comprendre que cette trans- sommes qu’au début. Les séquenceurs à haut
sont bien connus pour la plupart. Les signaux criptomique est une phase de recherche débit sont nécessaires, et l’informatique capable
agissent sur des activateurs qui les reconnaissent fondamentale qui va permettre de comprendre de traiter leurs gigantesques masses de données
et leur permettent de se positionner sur l’ADN. un certain nombre de dérèglements pathologi- devra beaucoup évoluer.
97
CCEENNTTRREE CCEEAA DDEE SSAACCLLAAYY LLEE JJOOUURRNNAALL
DOSSIER Les nouveaux horizons de la biologie
DÉFINITION
« La biologie intégrative, c’est
l’étude systémique du fonctionnement d'un
organisme vivant qui intègre, entre autres,
Toute la
les données issues des techniques omiques.
panoplie des
techniques
© H. DUVEAU/CEA omiques est
nécessaire matériel génétique et les protéines des cellules.
Franck Chauvatest Corinne Cassier-Chauvat F.C.:Ce qui nous intéresse, c’est la façon dont
responsable du Laboratoire est chercheuse au pour notre
les cyanobactéries s’y sont prises pour inventer
de biologie intégrative de Laboratoire de biologie
travail. » des stratégies pour résister à l’oxygène qu’elles
l’iBiTec-S. intégrative de l’iBiTec-S.
dégagent, notamment en produisant un méta-
bolite, le glutathion.
Biologie intégrative : Pourquoi travailler sur le stress de
cyanobactéries?
C.C.-C.:Toutes les cellules vivantes contiennent
l’avenir par les cyanobactéries des métaux biologiques comme le fer ou le cui-
vre, qui captent l’oxygène et en limitent les
dégâts. Si des métaux lourds comme le mercure
ou l’uranium les remplacent, cette fonction n’est
Les cyanobactéries sont un outil idéal pour la recherche
plus assurée. Nous étudions comment le méta-
fondamentale sur les systèmes vivants et la recherche appliquée bolisme des cyanobactéries est influencé à la fois
en biotechnologie. La façon dont elles vivent et gèrent les stress par les métaux biologiques ou lourds, et par le
stress oxydant provoqué par l'élimination de cer-
environnementaux qu'elles subissent passionne les chercheurs
taines protéines ou de molécules antioxydantes
et pourrait changer notre avenir. comme le glutathion. Toute la panoplie des
techniques omiques est nécessaire pour réaliser
ce travail.
La biologie intégrative semble ne pas F.C.:Pour nous, les cyanobactéries sont plus
être omique? qu’un objet d’étude. Elles proposent à la fois un
Franck Chauvat:Nous essayons de comprendre vaste champ de savoirs fondamentaux à décou-
la coordination des fonctions cellulaires. Si le vrir et des retombées applicatives à court terme.
suffixe omique est absent, les techniques omi- Il est certain que la compréhension de leurs
ques sont bien à la base des approches de la bio- mécanismes de régulation va déboucher sur de
logie intégrative. nouvelles techniques de production de molécu-
Corinne Cassier-Chauvat:Nos recherches intè- les pour la santé (antioxydants) et l’industrie
grent les données venues de la génomique, de (bioplastiques), mais aussi pour l’énergie (bio-
la transcriptomique, de la protéomique et de la carburants).
métabolomique. En fait, lorsqu’on décide de
faire de la biologie, ce qu’on imagine est souvent
de la biologie intégrative.
Spirulines : une ressource alimentaire
Quel est le système vivant sur lequel exceptionnelle
vCo.Cu.s-C t.r:aNvoauisl lterzav?aillons sur des organismes © F. RHODES/CEA Dimeps rcoyparneombeanctt éarpiepse,l éceosm amlgeu leess bslpeiureusli,n oenst, été
unicellulaires, les cyanobactéries. Ce sont les consommées par les Aztèques ou les peuples du
Culture de cyanobactéries.
premiers organismes apparus sur Terre. Ils ont Tchad depuis un millier d’années. Ces filaments
fini par coloniser la planète. Ces bactéries repré- d’un dixième de millimètre enroulés en spirale
sentent la majeure partie du phytoplancton. sur eux-mêmes se développent dans des eaux
Leur nom vient de leur couleur bleue verte. Elles cyanobactéries pour produire des biomolécules chaudes peu profondes et saumâtres. Cinq
sont parmi les êtres les plus simples qui soient. et des bioénergies. En recherche fondamentale, grammes de spirulines couvrent 100% des
F.C.:Les cyanobactéries transforment sans cesse nous voulons comprendre les mécanismes à la apports nutritionnels journaliers recommandés.
les substances et l’environnement. L’air riche en base de la coordination des processus cellulaires Elles contiennent trente-cinq fois plus de
oxygène que nous connaissons est le résultat de chez les cyanobactéries, et leurs systèmes de protéines que le soja, sont riches en fer et en
leur photosynthèse. L’homme exploite certaines régulation en réponse aux stress. molécules antioxydantes. Elles sont de plus en
d’entre elles, comme les spirulines. C.C.-C.:Le stress oxydant qui affecte les cyano- plus cultivées en Afrique (alimentation), en
bactéries est un exemple. En effet, elles produi- Chine (alimentation, fertilisation des rizières, et
Qu’attendez-vous de vos recherches? sent de l’oxygène qui est un poison pour le productions biotechnologiques) et aux États-Unis
F.C.:En recherche appliquée, nous voulons vivant. C’est lui qui est responsable du vieillis- (parapharmacie, et productions
parvenir à reprogrammer le métabolisme des sement car il endommage les membranes, le biotechnologiques).
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CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL
Les nouveaux horizons de la biologie DOSSIER
L’électrophorèse permet
de séparer plusieurs centaines
de protéines selon leur taille
et leur charge électrique. DÉFINITION
La protéomiqueest l’étude de
l'ensemble des protéines d'une
cellule, d’un tissu ou d’un
organisme à un moment donné.
«
Les enzymes
synthétisent toutes
les molécules vitales
de la cellule. »
© L. MÉDARD/CEA
Protéomique : comment lever
le secret des protéines ? © H. DUVEAU/CEA
Modèle réduit des cellules d’organismes supérieurs, la levure est très Jean Labarre
étudiée en biologie. Mais elle cache encore de nombreux secrets, entre est chercheur au
Laboratoire de biologie
autres, la façon dont son métabolisme est régulé en réponse aux stress.
intégrative de l’iBiTec-S.
Que reste-t-il d’intéressant à découvrir molécule:le glutathion. C’est la façon dont la l’aide d’un spectromètre qui détermine très pré-
dans les levures? levure s’y prend pour fabriquer cette molécule cisément leur masse.
Jean Labarre:La recherche utilise les levures qui m’intéresse.
comme modèle car la cellule unique dont elles Votre but ultime ?
sont constituée est très proche de celles d’orga- Comment les levures s’y prennent-elles? J.L.:Il s’agit de comprendre le fonctionnement
nismes supérieurs comme les plantes ou les J.L.:Lorsque le cadmium entre dans la cellule, terriblement complexe des cellules. Pour cela,
animaux. un activateur indique aux polymérases les sites les techniques omiques sont nécessaires, mais
Le génome1des levures est complètement connu, d’ADN à transcrire en ARN. Ces ARN détiennent certainement pas suffisantes. Nous voulons bien
leur transcriptome2l’est presque entièrement. le code de production des enzymes chargées de sûr décrire le protéome d’un organisme le plus
Par contre, on est loin de bien connaître leur synthétiser le glutathion. Cette synthèse est en précisément possible. Nous étudions aussi la
protéome3. Or les protéines sont nécessaires à la réalité une cascade de réactions biochimiques façon dont ce protéome est régulé dans la cel-
cellule, et parmi elles, les enzymes, qui réalisent différentes, dans lesquelles des enzymes utili- lule et la façon dont il en régule les activités.
les réactions biochimiques. Ce sont elles qui syn- sent du soufre pour synthétiser le glutathion. Cette question d’influences réciproques peut
thétisent toutes les molécules vitales de la cellule, C’est le soufre du glutathion qui va neutraliser devenir tellement inextricable pour nos esprits
comme l’ADN ou l’ARN. En fait, la quasi-totalité le cadmium. habitués aux raisonnements linéaires qu’il nous
des activités de la cellule sont le fait d’enzymes. faut être aidés par des modèles mathématiques.
Ce sont toutes les réactions possibles au Nous les construisons en utilisant toutes les
Qu’étudiez-vous dans les enzymes? sein des levures qui vous intéressent? connaissances expérimentales que nous avons
J.L.:Je m’intéresse à la façon dont elles parti- J.L.:J’étudie seulement certaines cascades de sur un métabolisme donné. S’il est juste, il pro-
cipent à la gestion des flux métaboliques de la réactions biochimiques dans les levures, et c’est duira des simulations capables de prédire
cellule. Chez les organismes vivants, dès que un travail de longue haleine. Nous utilisons certaines activités des levures qui échappent à
quelque chose s’éloigne d’un équilibre, des l’électrophorèse 2D, une technique qui permet notre intuition.
systèmes de régulation se mettent en route. Par de séparer plusieurs centaines de protéines
exemple, les métaux lourds comme le cadmium simultanément selon leur taille et leur charge
sont toxiques car ils bloquent les réactions électrique. L’analyse informatique des images 1/Ensemble du matériel génétique d'un individu.
2/Ensemble des résultats de transcription de séquences
chimiques essentielles. Les levures vont tenter qui en sont issues permet de les quantifier. Les
d’ADN en ARN.
de neutraliser le cadmium en fabriquant une protéines peuvent ensuite être identifiées à 3/Ensemble des protéines présentes dans la cellule.
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CENTRE CEA DE SACLAY LE JOURNAL
MATÉRIAUX Toxicologie des nanotubes de carbone
Où sont les
nanotubes ?
Les nanotubes de carbone sont plus résistants que
le meilleur des aciers, ils conduisent mieux l’électricité
que n’importe quel métal, mais sont-ils sans danger pour
la santé? Comment le savoir alors qu’il est difficile de
détecter leur présence dans l'organisme en raison de
leurs dimensions? Plusieurs équipes de Saclay ont mené Les nanotubes sont dispersés dans
des fluides biologiques grâce à des ultrasons.
à bien une «traque» aux nanotubes.
L
es caractéristiques physiques sans équi- déterminer comment ils se distribuent dans les
valent des nanotubes de carbone en font organes, s’ils y persistent, alors que leur taille
un des matériaux très prometteurs pour est inférieure à celle d’une cellule.
l’électronique, la santé, etc. Leur diamètre
correspond à quelques dizaines d’atomes Une méthode «marquante»
seulement et l’étude de leurs effets sur le vivant Comment compter les nanotubes de carbone
est complexe. Le CEA a décidé de relever le dans les organes d’un rat de laboratoire? Une
défi dans le cadre de ses programmes «Nanos- méthode conventionnelle consiste à greffer
ciences» et «Toxicologie». Même si toutes les sur les nanotubes des molécules capables
mesures de protection sont prises par les d’émettre une lumière d’une couleur particu-
personnes qui les manipulent dans les labora- lière. Malheureusement les molécules ajoutées
toires du CEA, il est indispensable de savoir aux nanotubes modifient leur comportement,
comment notre organisme réagit au contact de si bien qu’on ne sait plus très bien quel effet
ces nano-objets. on observe.
Le marquage mis au point par les chercheurs
Des propriétés singulières de Saclay rend les nanotubes détectables sans
difficiles à anticiper aucune altération de leurs propriétés. Le pro-
Comme le souligne le docteur Rémy Maximi- cédé consiste à introduire quelques atomes de
lien, toxicologue à la Direction des sciences du carbone radioactif (14C) dans chaque nano-
vivant (DSV), au centre CEA de Fontenay-aux- tube (voir encadré). De toutes les propriétés de
Roses: «C’est la première fois que la société se la matière, la radioactivité est sans doute celle
préoccupe autant de l’innocuité d’un produit que l’on sait mesurer le plus précisément. Cette
ansovenas ntp trp doa’perrtnii écgutéélnsièé srrieanmlgisueelnriè tl ’rudetsiif ldfisiecasitl ienosan nà»o . paOanrrt tciiceciruptleaeris-. tdbeiaclnihtsén lijeqasum oear aigsua antotetresi isdne’t uelan. droéntegcetuiorn a vdeec nuanneo steunbseis- © C. DUPONT/CEA
«Pour l’instant, on ignore si elles sont toxi-
ques, et si oui, de quelle façon elles peuvent
l’être.» Jusqu’à présent, on a seulement pu
montrer que des inflammations du système Gros plan sur les nanotubes de carbone
respiratoire peuvent être provoquées par des
Observés pour la 1èrefois en 1991, les nanotubes de carbone sont
quantités importantes de nanotubes sous
constitués d’un ou plusieurs feuillets composés d’atome de
forme d’agglomérats. On détermine habituel-
carbone, enroulés sur eux-mêmes en cylindres concentriques.
lement la toxicité d’un produit chimique en
Leurs diamètres internes sont de l’ordre du nanomètre (10-9m) et
fonction de la dose administrée, c’est-à-dire la
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