La science de la biotechnologie

L’emploi de biotechnologie existe sous forme rudimentaire depuis que les anciens brasseurs ont commencé à utiliser des cultures de levure pour fabriquer de la bière. La percée qui a ouvert la voie à la biotechnologie moderne a eu lieu lorsque la structure de l’ADN a été découverte au début des années 1950. Pour comprendre comment cette découverte a finalement conduit aux thérapies biotechnologiques, il est utile de comprendre les bases du rôle central de l’ADN dans la santé et la maladie.

À quoi sert l’ADN?

L’ADN est une molécule très longue et torsadée que l’on trouve dans le noyau, ou centre de commande, d’une cellule. Il fournit le plan détaillé de la construction et du fonctionnement d’une forme de vie, qu’il s’agisse d’un microbe, d’un oiseau ou d’un corps humain. Les informations contenues dans l’ADN sont stockées sous la forme d’un code composé de quatre éléments de base, appelés nucléotides. L’ordre dans lequel les nucléotides apparaissent s’apparente à l’ordre des lettres qui épellent les mots et forment des phrases et des histoires. Dans le cas de l’ADN, l’ordre des nucléotides forme des gènes différents. Chaque gène contient les instructions pour fabriquer une protéine spécifique.

À quelques exceptions près, chaque cellule d’un organisme détient une copie complète de l’ADN de cet organisme. Les gènes présents dans l’ADN d’une cellule particulière peuvent être soit actifs (activés), soit inactifs (désactivés) en fonction de la fonction et des besoins de la cellule. Une fois qu’un gène est activé, les informations qu’il contient sont utilisées pour fabriquer, ou « exprimer », la protéine dont il détient le code. De nombreuses maladies résultent de gènes activés ou désactivés par erreur.

Comment le corps fabrique-t-il les protéines?

La production des protéines est un processus en plusieurs étapes qui comprend la transcription et la traduction. Lors de la phase de transcription, le code ADN original d’une protéine spécifique est réécrit sur une molécule appelée ARN messager (ARNm); l’ARNm comprend des nucléotides semblables à celle de l’ADN. Chaque groupement successif de trois nucléotides forme un codon, ou code, pour l’un des 20 acides aminés différents qui sont les éléments constitutifs des protéines.

Lors de la traduction, une structure cellulaire appelée ribosome se lie à un ruban d’ARNm. D’autres molécules, appelées ARN de transfert, construisent une chaîne d’acides aminés qui correspond à la séquence de codons de l’ARNm. Les chaînes d’acides aminés courtes s’appellent des peptides. Les chaînes longues, appelées polypeptides, forment les protéines.

Quelles fonctions les protéines commandent-elles?

Les acides aminés qui forment une protéine interagissent les uns avec les autres, et ces interactions complexes confèrent à chaque protéine sa propre structure tridimensionnelle particulière. Cette structure détermine alors le mode de fonctionnement d’une protéine et les autres molécules sur lesquelles elle aura une incidence. Parmi les types de protéines habituels, on retrouve :

• les enzymes, qui rassemblent ou séparent les molécules;
• les protéines de signalisation, qui relaient les messages entre les cellules, et les récepteurs, qui reçoivent les signaux envoyés via des protéines provenant d’autres cellules;
• les protéines du système immunitaire, telles que les anticorps, qui se défendent contre les maladies et les menaces extérieures;
• les protéines structurelles, qui donnent forme aux cellules et aux organes.

Étant donné la grande variété de fonctions remplies par les protéines, elles sont parfois considérées comme les molécules « bourreau de travail » de la vie. Cependant, lorsque des protéines clés fonctionnent mal ou sont absentes, il en résulte souvent une maladie de tel ou tel type.

Comment fonctionne l’ingénierie génétique?

L’ingénierie génétique est la pierre angulaire de la biotechnologie moderne. Elle s’appuie sur des outils scientifiques qui ont été mis au point au cours des dernières décennies et qui permettent aux chercheurs :

1. d’identifier le gène qui produit la protéine d’intérêt;
2. de couper la séquence d’ADN qui contient le gène à partir d’un échantillon d’ADN;
3. de placer le gène dans un vecteur, tel qu’un plasmide ou un bactériophage;
4. d’utiliser le vecteur pour transporter le gène dans l’ADN des cellules hôtes, telles que l’Escherichia coli (E. coli) ou des cellules de mammifères cultivées en culture;
5. d’induire les cellules à activer le gène et à produire la protéine souhaitée;
6. d’extraire et de purifier la protéine pour un usage thérapeutique.

Lorsque des segments d’ADN sont coupés et recollés ensemble pour former de nouvelles séquences, cela a pour résultat de produire de l’ADN recombinant. Lorsque l’ADN recombinant est inséré dans les cellules, celles-ci utilisent ce plan modifié et leur propre machinerie cellulaire pour fabriquer la protéine codée par l’ADN recombinant. Les cellules qui possèdent de l’ADN recombinant s’appellent des cellules génétiquement modifiées ou cellules transgéniques.

Outils de l’ingénierie génétique

Pour manipuler les cellules et l’ADN, les scientifiques utilisent des outils empruntés à la nature, notamment :

Les enzymes de restriction :

Ces enzymes naturelles sont utilisées comme moyen de défense par les bactéries pour briser l’ADN des virus. Il existe des centaines d’enzymes de restriction spécifiques que les chercheurs utilisent tels des ciseaux pour extraire certains gènes de l’ADN.

L’ADN ligase :

Cette enzyme est utilisée dans la nature pour réparer l’ADN brisé. Il peut également être utilisé pour coller de nouveaux gènes dans l’ADN.

Les plasmides :

Il s’agit unités circulaires d’ADN. Ils peuvent être modifiés pour comporter des gènes recherchés.

Les bactériophages (également appelés phages) :

Il s’agit de virus qui infectent les bactéries. Les bactériophages peuvent être modifiés pour transporter de l’ADN recombinant.

L’ingénierie génétique permet aux scientifiques de fabriquer des molécules trop complexes pour être fabriquées par la chimie. Cela a donné naissance à de nouveaux types de traitements importants, tels que les protéines thérapeutiques. Les protéines thérapeutiques comprennent celles décrites ci-dessous, ainsi que celles qui sont utilisées pour remplacer ou augmenter les protéines naturelles d’un patient, en particulier lorsque les niveaux de protéines naturelles sont faibles ou absents en raison d’une maladie. Elles peuvent être utilisées pour traiter des maladies telles que le cancer, les anomalies hématologiques, la polyarthrite rhumatoïde, les maladies métaboliques et les maladies du système immunitaire.

Exemples de molécules génétiquement modifies

• Les anticorps monoclonaux sont une classe spécifique de protéines thérapeutiques fabriquées par le système immunitaire pour cibler et aider à détruire les envahisseurs étrangers tels que les bactéries, les virus et les cellules cancéreuses.
• Les corps peptidiques sont des protéines modifiées dotés de l’activité biologique d’un peptide et de la durée de persistance plus longue d’un anticorps.
• Les vaccins stimulent le système immunitaire pour assurer une protection, principalement contre les virus. Les vaccins traditionnels utilisent des virus affaiblis ou tués pour préparer l’organisme à attaquer le vrai virus. La biotechnologie peut créer des vaccins recombinants basés sur des gènes viraux.

Ces nouveaux modes de traitement offrent aux développeurs de médicaments davantage de possibilités pour déterminer la meilleure façon de lutter contre une maladie. Mais la recherche et le développement (R&D) biotechnologique, tout comme la R&D pharmaceutique, est un processus long et exigeant, et qui comporte de nombreux obstacles qui doivent être surmontés pour amener au succès.