Le génie génétique
La photo ci-contre montre un lapin transgénique (lapin GFP). La Green Fluorescent Protein (protéine de florescence verte) est une protéine initialement exprimée par des Méduses et dont le gène a été transféré à de nombreux organismes par transgénèse.
Dans une approche plus appliquée aux besoins humains, on peut parler de biotechnologies pour désigner « l’application des principes scientifiques et de l’ingénierie à la transformation de matériaux par des agents biologiques pour produire des biens et services ». Les biotechnologies incluent notamment le génie génétique qui désigne l’ensemble des techniques permettant l’utilisation ou la modification du génome des organismes. Parmi ces techniques, on peut citer la technique de la transgénèse qui est la production d’organismes génétiquement modifiés (OGM) ou organismes transgéniques, c’est-à-dire d’organismes exprimant un gène (nommé gène d’intérêt) extérieur à leur espèce ajouté artificiellement par l’Homme à leur génome.
- Comment le génie génétique permet-il la production d’organismes génétiquement modifiés (OGM) ?
Quels sont les avantages et les inconvénients des organismes génétiquement modifiés ?
1 – Comment obtient-on des organismes génétiquement modifiés ?
1 – 1 – Un exemple de transgénèse naturelle
La galle du collet – ou crown-gall – est une maladie végétale causée par la bactérie Agrobacterium tumefaciens, qui se traduit par la formation d’une tumeur au site d’infection. La bactérie a été identifiée à partir de ces tumeurs en 1907 par deux chercheurs américains, E.F. Smith et C.O. Townsend.
Agrobacterium tumefaciens est une bactérie qui se développe dans le sol. Elle est attirée par des composés phénoliques dégagés par les plantes lorsqu’elles sont blessées. Au niveau de cette blessure, Agrobacterium est capable de se fixer sur les cellules du végétal et d’induire la formation d’une galle (prolifération de tissus de la plante) lui fournissant des substrats. Depuis 1974, on sait que cette induction est due au transfert d’un petit fragment du matériel génétique (ADN plasmidique) depuis la bactérie jusque dans le génome des cellules de la plante.
L'infection de la plante par Agrobacterium induit le développement d'une galle. (les échelles ne sont pas respectées)
Agrobacterium transfère un fragment d'ADN (l'ADN-T) dans le génome de la plante. (Les échelles ne sont pas respectées)
1 – 2 – Les étapes de la transgénèse
a – L’isolation du gène d’intérêt :
Le document 1 montre les méthodes utilisées pour isoler le gène d’intérêt.
Le document 2 montre quelques enzymes de restriction.
1 – Dégager du document 1, les méthodes utilisées pour isoler le gène d’intérêt.
2 – A partir des documents 2 et 3, Dégager l’origine des enzymes de restriction et leurs actions.
1 – Pour isoler le gène d’intérêt, deux méthodes sont utilisées:
- L’ADN génomique est extrait à partir d’une culture cellulaire, digéré par une enzyme de restriction puis le gène d’intérêt est repéré.
- L’ARN messager codant pour la protéine désirée est extrait des cellules, sa transcription inverse grâce à une enzyme « transcriptase inverse » donne un mono brin d’ADN, puis l’ADN double brin qui représente le gène d’intérêt.
2 – Les enzymes de restriction sont isolées à partir de bactéries et sont utilisées pour couper l’ADN en laboratoire. Ces enzymes reconnaissent des séquences d’ADN spécifiques et courtes connues sous le nom de sites de restriction et clivent l’ADN sur ces sites.
b – Intégration du gène d’intérêt dans une construction génique (vecteur):
1 – A partir du document, décrire l’étape de l’intégration du gène d’intérêt dans une construction génique.
1 – Le plasmide est ouvert par les mêmes enzymes de restriction, puis le gène d’intérêt est intégré dans le vecteur avec des enzymes de soudure ou ligases.
Le gène d’intérêt est intégré dans une construction génique associant souvent un gène marqueur. Ce gène marqueur permet de sélectionner les cellules qui ont intégré le gène d’intérêt. Par exemple le gène de résistance à un antibiotique; dans ce cas, toutes les cellules ayant acquis le transgène résisteront à l’antibiotique alors que les autres seront tuées.
c – La multiplication de la construction génique : le clonage
1 – A partir du document, décrire l’étape de clonage de la construction génique.
1 – Le plasmide recombiné est réintégré dans une bactérie hôte, Escherichia coli. Par culture de cette bactérie, on obtient une multiplication rapide du plasmide. Par cette méthode de nombreuses copies du plasmide recombinant sont ainsi obtenues.
d – Le Transfert du gène
Le transfert du gène d’intérêt peut se faire soit par transformation biologique ou direct par canon à particules
transformation biologique
transformation par canon à particules
1 – A partir des documents, décrire les techniques utilisées pour le transfert du gène d’intérêt.
1 – On peut utiliser les deux techniques suivantes:
Le transfert biologique : La transformation génique est réalisée en mélangeant une culture d’une souche d’Agrobacterium transformée, mise en suspension en milieu liquide, avec des cellules végétales , on parle de co-culture. C’est au cours de cette étape que la construction génique introduite dans la bactérie est transférée dans le génome des cellules.
- Le transfert direct par canon à particules : une projection d’ADN (biolistique) dans les cellules de la plante par l’utilisation d’un canon à particules qui projette dans les cellules des microparticules de métal (or ou tungstène) enrobées des constructions géniques.
2 – Les avantages de la transgenèse
2 – 1 – Dans le domaine agricole
Le document suivant montre les étapes de la transgénèse pour la production du maïs résistant à un insecte, la pyrale qui provoque de gros dégâts dans les tiges de maïs réduisant ainsi la production. Le génome d’une bactérie du sol (Bacillus thuringiensis) contient le gène responsable de la fabrication de la protéine toxique pour les larves de pyrale du maïs.
1 – En exploitant le document, décrire les étapes de la transgénèse chez cette plante.
1 – Les étapes de la transgénèse chez le maïs.
Identification et isolement du gène responsable de la fabrication de la protéine toxique pour les larves de pyrale du maïs à partir du génome du Bacillus thuringiensis, en utilisant des enzymes de restriction.
- Introduction du gène dans un vecteur : plasmide
- Transfert du vecteur dans Agrobacterium tumefaciens
- Transfert et intégration du gène dans le génome de la cellule végétale
- Culture et Sélection des cellules transformées débarrassées de leur paroi
- Division cellulaire et régénération de plantules modifiées
- Culture des plants ayant acquis le caractère nouveau et la fabrication de la protéine toxique pour les pyrales du maïs.
La transgénèse chez les plantes permet d’apporter des solutions à des problèmes très variés. Ils touchent aussi bien l’agronomie, l’amélioration des qualités alimentaires …
– Production de plantes résistantes
Les plantes génétiquement modifiées peuvent présenter des caractères qui leur permettent de résister à des maladies, à des attaques d’insectes, à de faibles quantités de précipitations, à certains herbicides … selon le gène inséré. Ces caractères permettent donc d’augmenter les rendements.
– Moins de produits chimiques
Certains PGM présentement commercialisés sont utilisés dans le secteur des grandes cultures. Par leurs caractéristiques (tolérance à certains herbicides, résistance aux insectes et aux maladies), ils permettraient de réduire l’usage de certains herbicides et insecticides. Il pourrait donc y avoir un avantage – quoiqu’indirect – sur la santé humaine, puisque plusieurs de ces composés chimiques sont connus pour leurs propriétés toxiques. Les risques d’intoxication seraient diminués, car il y aurait moins de résidus de ces produits, autant dans l’air que sur les aliments destinés à la consommation.
– Des aliments plus nutritifs
Par la transgénèse, il serait possible de modifier la valeur nutritive d’un aliment pour résoudre un problème de nutrition. Ces aliments GM sont principalement destinés aux populations des pays en voie de développement qui souffrent de carences, notamment en vitamine A ou en fer.
– Des aliments moins allergènes
L’une des avenues de recherche explorées par le génie génétique consiste à réduire le pouvoir allergène des protéines présentes dans certains aliments. Certains chercheurs tentent d’empêcher le gène de produire la protéine allergène, alors que d’autres travaillent à modifier la structure de la protéine pour la rendre non allergène. Les plantes ciblées sont actuellement le soja, le riz, la pomme de terre et l’arachide.
2 – 2 – Dans le domaine médical
Le document suivant montre comment se fait la production industrielle de l’insuline humaine.
1 – En exploitant le document, décrire les étapes de la production industrielle de l’insuline humaine.
1 – Les étapes de la production industrielle de l’insuline humaine.
Identification et isolement du gène responsable de la fabrication de l’insuline humaine à partir du génome des cellules bêta pancréatique, en utilisant des enzymes de restriction.
– Introduction du gène dans un vecteur : plasmide.
– Transfert du vecteur dans des bactéries Escherichia coli.
-Culture et sélection des bactéries transformées.
– Multiplication industrielle des bactéries modifiées.
– Production de l’insuline humaine.
– Extraction et purification de l’insuline
3 – Les inconvénient de la modification génétique
– Pour l‘environnement
Les plantes génétiquement modifiées risquent de transférer leur matériel génétique aux plantes non modifiées des champs alentours et ainsi de les contaminer.
De plus, certaines plantes résistant aux herbicides, les agriculteurs peuvent en pulvériser des quantités importantes, ce qui pourra entraîner une pollution des sols (et un danger alimentaire).
– Pour l’homme et les animaux
Les plantes génétiquement modifiées peuvent produire des antibiotiques. Ces dernières pourraient favoriser l’émergence de sources de bactéries résistantes aux antibiotiques dangereuses pour l’Homme. D’autres plantes génétiquement modifiées produisent des substances insecticides, fongicides. Leur consommation pourrait être toxique et provoquer des allergies. La surconsommation des plantes génétiquement modifiées pourrait entraîner la formation de tumeurs.