Cependant, dans certains cas, les ordinateurs sont certes rapides mais ils sont surtout extrêmement inefficaces. Un humain aura parfois plus rapidement résolu un problème donné qu’un ordinateur, aussi rapide soit il. Mais cela se complique quand les problèmes à résoudre sont très nombreux et demanderaient une armée de scientifiques pour être résolus. Difficile donc de mobiliser de grandes foules pour aider la science.

Pour pallier ce souci des équipes de recherches ont eu la brillante idée et présenter ces puzzles biologiques sous forme de jeux vidéos accessibles et jouables par tous. Je vous propose de découvrir l’un d’entre eux nommé Fold it (d’autres viendront peut être par la suite) tout en expliquant les problématiques biologiques qu’il tente de résoudre.

Les protéines… en 3D

Un aperçu de l’interface du jeu Fold it

Fold It (Plie le en anglais) vous plonge dans le monde des protéines. Les protéines sont les véritables chevilles ouvrières des cellules. Il en existe des multitudes (plusieurs dizaines de milliers) qui assurrent une ou plusieurs fonctions de base au sein de chacune des cellules. Elles peuvent par exemple aider à produire de l’énergie, à en stocker, à dupliquer ou réparer l’ADN tout comme à définir la structure de la cellule.

La séquence de ces protéines est définie par notre ADN. En effet, des parties de notre séquence ADN (les gènes) sont traduits en une séquence protéique. Des triplets de nucléotides (les fameux A, T, G et C) codent pour l’un de la vingtaine d’acides aminés que peuvent utiliser nos cellules comme élément de base d’une protéine. Jusque là il peut donc paraître facile d’étudier les protéines, il ne s’agit que d’une vague traduction de notre séquence d’ADN que l’on connait déjà. Vous vous en doutiez peut être, ce n’est pas si simple. En effet, tout autant que de leur séquence en acide aminés, les protéines tirent leur fonction de leur conformation tri-dimensionnelle. Autrement dit, les acides aminés ne vont pas rester sous la forme d’une séquence linéaire dans la cellule mais vont adopter une structure 3D spécifique qui déterminera sa fonction.

De la 3D à la fonction

Représentation de la structure tridimensionnelle de l’ATP synthase

Un des exemples les plus flagrants est celui de l’ATP synthase dont la structure est représentée à droite. Cette protéine fondamentale est présente chez presque toutes les espèces vivantes, de l’Homme aux bactéries en passant par les plantes, et est essentielle à la génération d’énergie dans la cellule. Pour les plus imaginatifs, sa forme peut rappeler celle d’une turbine avec un canal d’entrée (en haut), et une hélice en bas. Et c’est, par analogie, plus ou moins la manière dont marche cette protéine comme vous pouvez le voir sur cette animation. Un flux de protons permet de créer suffisamment d’énergie pour générer de l’ATP, une molécule à fort potentiel énergétique et utilisé dans de nombreuses réactions chimiques au sein de notre organisme. Comme vous le voyez, la structure tri-dimensionnelle de la protéine définit ici, tout comme dans la quasi totalité des cas, la fonction de la protéine.

Repliement de protéines. Nature: 1, Ordinateurs: 0.

Le problème survient alors lorsque l’on veut déterminer cette structure tri-dimensionnelle. Si cela est possible expérimentalement en ayant notamment recourt à des techniques avancées de cristallographie, cela reste très difficile et coûteux en temps et argent. Depuis plusieurs années, les ordinateurs peuvent venir aider les scientifiques mais ils se heurtent à de nombreux problèmes. Si la nature très bien replier nos protéines pour leur donner leur forme tri-dimensionnelle spécifique, les ordinateurs ont beaucoup plus de mal. Là où les protéines obéissent à des lois physiques et chimiques de base, l’ordinateur lui peine à simuler toutes les interactions possibles.

En effet, pour une séquence donnée d’acides aminés il existe une multitude de manières d’en organiser les éléments dans l’espace. Par exemple, dans le cas simple de seulement deux éléments, l’un peut se trouver dessus ou dessous l’autre, à gauche ou à droite et ce avec des angles différents (10 degrés, 20 degrés,…). En admettant qu’une protéine soit composée de plusieurs centaines d’acides aminés et qu’ils n’interagissent pas forcément qu’avec leur voisin cela créé un univers des possibles démesuré! De plus chaque acide aminé a des propriétés physico-chimiques différentes. Certains sont hydrophiles et d’autres hydrophobes (à l’image d’une goutte d’huile dans de l’eau), certains sont chargés négativement d’autre positivement,…

Ces propriétés intrinsèques définissent la fonction de la protéine mais aussi la manière dont elle se repliera et adoptera sa forme finale. En effet, les acides aminés chargés négativement tendront à s’associer avec ceux chargés positivement. Les hydrophobes tendront à se “cacher” au sein de la protéine ou des membranes de graisse afin de ne pas être en contact avec le milieu cellulaire aqueux. Et, rappelez vous, dans un espace en 3D, un élément n’interagira pas seulement avec les éléments voisins mais virtuellement avec tous les autres éléments. Comme vous le voyez, simuler le repliement de ces protéines à partir de leur simple séquence en acides aminés est une tache ardue et demandant de prendre en compte de nombreux paramètres.

Pour ces raisons les ordinateurs peinent à résoudre ces problèmes. Les algorithmes doivent tester de nombreuses combinaisons et, pour ces combinaisons définir l’énergie nécessitée pour créer une telle structure. En effet, le processus de repliement des protéines tend à favoriser les structures demandant le moins d’énergie possible pour être créées et maintenues. Si certaines astuces permettent d’éliminer certaines combinaisons, le total à tester reste immense (voir exemple de simulation).

Plus fort que des ordinateurs… des gamers!

L’équipement de base des labos du futur?

Et c’est ici que Fold it et ses joueurs entrent en scène. Si il est difficile de programmer des ordinateurs pour effectuer ce genre de taches, un humain pourra lui facilement et rapidement les effectuer. Une fois que l’on lui a expliqué, un individu lambda, comprendra très bien qu’il est plus logique de mettre un élément chargé positivement avec un élément chargé négativement tout comme il mettra les résidus hydrophobes à l’abri de l’environnement aqueux. Un humain peut donc facilement effectuer ces opérations mais nécessitera du temps en raison de la taille des protéines en question.

L’équipe de Fold It a donc eu la bonne idée de créer un jeu permettant à des internautes ayant le goût du jeu et des sciences de résoudre ce genre de problèmes de manière compétitive. En effet, grace à plusieurs étapes d’explications, le joueur apprendra les règles que suit une protéine pour se replier, quelles conformations sont favorisées et lesquelles sont défavorisées. En jouant, le joueur aura donc l’opportunité de faire grimper son score pour une protéine donnée (ou un morceau de protéine). Plus le score sera haut, plus l’énergie demandée pour obtenir une telle structure sera faible et donc plus il sera vraisemblable qu’il s’agisse de la structure réelle. De plus, il est possible à tout moment de comparer son score avec le score le plus haut trouvé pour la protéine en question. Si il existe un score plus élevé cela signifie que l’on peut faire mieux et tenter d’améliorer sa structure. Et si l’on dépasse le score le plus élevé cela ne fera qu’inciter les autres internautes à faire mieux à leur tour, la compétition permettant alors d’affiner notre connaissance de la protéine en question.

Et cela marche! Une première phase de test a permis de démontrer que les meilleurs joueurs avaient réussi à déterminer des structures avec succès. Ces structures, déjà connues, avaient été résolues par la communauté de joueur (voir article - accès payant). Le jeu est donc passé à l’étape supérieure et propose maintenant de jouer avec des protéines dont la structure est alors peu ou pas connue.

Etape suivante: le design de protéines

Mais les créateurs de Fold it sont allés encore plus loin et ont demandé aux joueurs de modifier des protéines. Le design de protéine permet d’accélérer ou améliorer des réactions chimiques connues et est amené à jouer un rôle important en biotechnologie comme par exemple pour la création de médicaments, d’énergies renouvelables ou d’agents dépolluants. Grace à une nouvelle série de jeux, les utilisateurs de Fold it ont pu s’essayer à ces problématiques en pouvant à leur guise rajouter ou supprimer des éléments en plus de les réarranger comme précédemment. Et cette approche s’est révélée efficace. Après plusieurs étapes de jeu, les internautes ont réussi à améliorer une protéine synthétique existante en la rendant 18 fois plus efficace (voir article - accès payant). L’équipe de Fold it a donc démontré que le crowdsourcing permet d’aider aussi au développement et à l’amélioration de nouvelles protéines synthétiques d’intérêt industriel, commercial ou médical.

Fold it, son équipe de développement et de scientifiques ainsi que tous ses utilisateurs sont ainsi en train de démontrer qu’une communauté d’enthousiastes formée de manière didactique peut grandement contribuer à de significatives découvertes scientifiques. Et, tout aussi important, ils vous permettent de perdre votre temps à jouer sans culpabiliser une seconde, vous le faites pour une bonne cause.

Je proposerai donc régulièrement mon avis sur plusieurs oeuvres que l’on pourrait qualifier de romans scientifiques, des romans avec des vrais morceaux de science dedans. Tout autant que l’aspect littéraire et divertissement, l’aspect scientifique sera décortiqué et décrypté.

Pour le premier billet de cette catégorie j’ai décidé de vous parler d’une oeuvre colossale. De par sa taille (comptez plus de 1200 pages) mais aussi l’étendue des connaissances scientifiques et technologiques qui y sont distillées. Il s’agit du livre “Abysses” de l’auteur allemand Frank Schätzing paru en 2004 et traduit en 18 langues.

L’intrigue

La première partie du livre révèle dans un rythme lancinant des phénomènes biologiques étranges qui sont observés en différents lieux de la planète. Les deux personnages principaux Sigur Johanson et Léon Anawak sont respectivement professeur en biologie marine et un spécialiste du comportement des animaux marins et des baleines en particulier. Ils sont peu à peu confrontés à différentes anomalies biologiques. Tandis que l’un étudie un nouvelle espèce de vers tapissant par millions le talus continental norvégien, l’autre s’inquiète du retard pris par les migrations des baleines. Petit à petit, les observations sont font plus nombreuses. Des baleines et des orques attaquent des bateaux et des touristes, des méduses des plus dangereuses et des requins débarquent en masse dans les stations balnéaires et des homards chargés de micro-organismes hautement toxiques sont retrouvés dans les marchés et restaurants français.
Les différentes pièces d’un puzzle machiavélique à l’échelle mondiale se retrouvent peu à peu connectées dans l’esprit de Johanson au moment même où la première partie du roman se finit dans une apothéose anxiogène et une catastrophe majeure (on arrête ici les détails pour ne pas vous gâcher toute la lecture).

Les parties suivantes tiennent alors plus de la politique-fiction et se concentrent essentiellement sur l’action d’un consortium international dirigé par des militaires et politiques et formé autour d’un noyau de scientifiques tentant d’élucider l’origine et le but de ces attaques. Afin de ne pas trop en dévoiler, je ne détaillerai pas plus et me contenterai de dire que si les faits scientifiques sont toujours présents ils laissent cependant une part non négligeable du récit à une trame plus épique et politique (toujours très bien menée).

Un hydrate de méthane en combustion, un élément qui joue un rôle clé dans le roman. U.S. Geological Survey

Et la science dans tout ça?

Comme annoncé en introduction, outre la trame épique de ce thriller, ce roman puise sa force dans la quantité et globale qualité de données scientifiques et techniques qui s’y trouvent. Non seulement les sujets abordés sont très détaillés et documentés mais ils sont aussi très nombreux.
La lecture de ce roman vous en apprendra sur des sujets aussi pointus et divers que l’économie pétrolière en mer du nord, les techniques d’extraction sous marine du pétrole, le comportement des mammifères marins, leurs flux migratoires et leur intelligence, le projet SETI, les appareils d’exploration des fonds marins, la biologie des différentes espèces sous marines, l’analyse d’ADN, les courants marins,…

Vous l’aurez compris, ces domaines sont vastes et globalement centrés sur le monde marin et sous marin. Une mine de connaissance qui ne se contentera pas de déballer des faits scientifiques mais détaille aussi les outils de point utilisés pour étudier ces différents phénomènes, des submersibles derniers cris aux système de suivi des mammifères marins en passant par les simulateurs de grand fond.

L’ensemble reste convaincant et bien intégré à la trame romanesque. Il m’aura pour ma part appris énormément, notamment sur la structure des fonds marins et la présence d’éléments tels que les hydrates de méthane, sorte de cage de glace enfermant du méthane fortement compressé, un composé de fort intérêt scientifique mais aussi économique!

La partie biologie, notamment relative aux analyses d’ADN, est peut être à prendre avec un peu plus de précaution mais il s’agit aussi de la partie pour laquelle je suis le plus critique (et qualifié). Si les faits biologiques rapportés sont généralement corrects, certaines parties plus spéculatives feront un peu plus douter les spécialistes. Quelques largesses sont aussi au rendez vous (certainement pour une meilleure intégration dans le roman) notamment concernant la vitesse des analyses moléculaires effectuées. Il ne faudra respectivement que quelques jours et heures à nos scientifiques pour identifier de nouveaux mécanismes moléculaires et effectuer des opérations de séquençage d’ADN. Cela ne torpillera certainement pas le roman mais fera cependant sourire le lecteur plus averti et laissera une impression légèrement faussée aux autres.

La difficulté lors de l’écriture de ce genre de roman est de bien intégrer ces connaissances et de manière naturelle. Si le pari est globalement réussi, certains passages ressemblent à des cours magistraux et pourront faire décrocher le lecteur de par leur aspect assez technique (malgré des efforts de vulgarisation). Certaines notions sont amenées de manière trop prévisible (comme la visite d’une installation scientifique à un groupe d’étudiant par exemple) tout comme l’on soupçonne certains personnages de n’avoir été initialement créés que pour que l’on puisse leur expliquer certains concepts en même temps qu’au lecteur. La première partie pourra donc paraitre un peu lente et rébarbative mais laissera petit à petit plus de place à une trame épique et une vision plus globale de l’histoire.

Alors, je le lis?

Le défi de taille proposé par l’écriture de ce livre aura globalement été relevé. L’auteur a su coupler une grande quantité de données scientifiques actuelles et une trame épique pour tisser une histoire vraisemblable avec pour thème une menace écologique globale. Des sujets bien d’actualité qui sauront captiver le lecteur une fois l’écueil d’une première partie plus lente et technique passé. Le reste n’est alors qu’interrogation, plaisir et étonnement, le tout avec une contemplation constante de tout le travail accompli par l’auteur (malgré quelques soupçons de plagiat…).
Les curieux de nature y trouveront certainement leur compte et se réjouiront des connaissances contenues dans cette oeuvre et ne seront pas déçus par l’histoire ou la psychologie développée des personnages principaux. Les amateurs de thrillers plus nerveux décrocheront peut être avant la fin mais pourront peut être se consoler avec la sortie d’un film prochain, Uma Thurman ayant acheté les droits du film. Mais nul doute qu’une grande partie des informations contenues dans le livre n’y sera pas intégrée…

Il y a maintenant 10 ans, une première version du génome humain était rendue publique. Une nouvelle ère s’ouvrait pour les chercheurs qui avaient en leur possession une source presque inépuisable de données pouvant occuper des générations de chercheurs. Pendant ces dix années les recherches ont effectivement été intensive et la génomique, l’étude des gènes et génomes à grande échelle, est l’une des disciplines ayant le plus explosé durant cette décennie.

Si dix années ne sont pas négligeables à l’échelle d’une vie humaine, cela reste assez court en termes de sciences. Mais, durant ce laps de temps, les chercheurs ont pu faire, entre autres, deux constatations de taille:

• premièrement, le génome humain a réservé quelques surprises et a encore beaucoup à leur apprendre.
• et, deuxièmement, la seule analyse du génome humain ne permettra certainement pas d’avoir une vision ultime du fonctionnement de notre organisme. Il va pour cela falloir explorer d’autres pistes…

Penser en 3D

Jusqu’à maintenant l’essentiel des recherches en génomique se sont focalisées sur la séquence brute de l’ADN, c’est à dire que l’on ne se concentrait que sur l’enchainement linéaire des 4 nucléotides A, T, G et C. Depuis, la communauté scientifique s’est rendue compte que cette approche, bien que parfois adaptée, présente de nombreuses limites. En effet, si la séquence primaire (linéaire) de l’ADN est importante, parfois, et même souvent, sa conformation tri-dimensionnelle l’est tout autant. Voire plus.

Le génome humain est composé de plus de 3 milliards de nucléotides. Cette information génétique est répartie en 23 chromosomes et est contenue dans chacune des millions de cellules qui composent notre corps. Cette séquence d’ADN, mis bout à bout de manière linéaire, représenterait un “fil” d’environ 1,20 mètre. Pour faire rentrer une telle molécule dans une cellule dont la taille est de l’ordre de la dizaine de micromètre, celle ci est compactée à l’image d’une pelote de laine.

Pour pouvoir accéder à une séquence d’ADN et qu’elle puisse être fonctionnelle il faut donc décompacter cette pelote d’ADN (appelée chromatine). Comme illustré dans l’image ci dessus, seule une partie de cette chromatine est ouverte et donc fonctionnelle. Aussi, il est possible de voir que certaines de ces régions interagissent entre elles par le biais de protéines liées à l’ADN (représentées par des boules de couleur).

L’ADN est effectivement le même dans toutes nos cellules, qu’elles se situent dans le cerveau, dans le foie ou le coeur. Ce qui définit l’identité et la fonction d’un organe est le répertoire de gène qui est actif (on parle d’expression) en son sein, tous les gènes n’étant pas actifs dans tous les organes. Les mécanismes régulant l’expression des gènes dans les différents organes sont à la fois importants et méconnus.

Aux débuts de la génomique on essayait de comprendre comment un gène était régulé en regardant ses séquences voisines, celles où les protéines responsables de l’expression des gènes se fixaient spécifiquement avant de commencer leur travail. Les chercheurs savent maintenant que la conformation tri-dimensionnelle des molécules d’ADN dans la cellule est de grande importance. Comme visible sur l’illustration, de l’ADN qui n’est pas voisin d’un gène au point de vue linéaire peut très bien l’être au niveau spatial. Et ceci sera de très grande importance pour comprendre comment un gène est activé par exemple.

Les technologies pour étudier ces interactions d’ADN à longue distance existent déjà, on parle de 3C (mais aussi de 4C ou 5C). Elles permettent donc de savoir quelles sont ces interactions ADN/ADN dans un organe particulier mais souffrent encore d’un débit faible et nécessitent donc du temps! D’ici quelques années la communauté scientifique possèdera donc bien plus de données (voire de méthodes) pour étudier ces questions et mieux comprendre comment les gènes sont utilisés par les différents organes.

Carte des territoires chromosomaux

Une autre découverte récente démontrant l’importance de la répartition de l’ADN dans la cellule est la mise en évidence de territoires chromosomaux. Comme illustré ci dessus, les différents chromosomes sont généralement situés au même endroit dans le noyau d’une cellule. Plus que jamais, il semblerait que la position d’un gène dans le noyau et par rapport à de possibles partenaires soit de première importance!

Tout un monde de “omiques”

Comme vu précédemment, l’identité d’un organe dépend des gènes qui y sont exprimés. Si un estomac est capable de digérer des aliments c’est car il utilise un catalogue précis de gènes. Un cerveau quant à lui devra utiliser un catalogue différent pour effectuer les différentes fonctions que l’on attend de lui.

En plus des séquences proches du gène (à la fois linéairement et spatialement donc) tout un ensemble de phénomènes influe sur la régulation des gènes, notamment l’épigénétique. L’épigénétique désigne les modifications chimiques pouvant être subies par l’ADN et qui modifiera l’usage qui en est fait par les protéines responsables de l’expression des gènes. Il est désormais possible de regarder ces modifications à large échelle, ce que l’on appelle l’épigénomique. Là aussi les méthodes existent mais ne permettent à l’heure actuelle que de regarder qu’une seule de ces modifications à la fois alors qu’il en existe une grande diversité .

A défaut de ne pouvoir comprendre en détails la manière dont nos gènes sont régulés il est aujourd’hui possible d’avoir une vision assez précise des gènes étant utilisés (exprimés) par un organe ou un type cellulaire précis. Avant d’être actif sous la forme d’une protéine, l’ADN est copié en ARN (on parle de transcription, voir schéma ci dessous), une copie moins stable de l’ADN, qui sera en suite traduite en protéine, véritable cheville ouvrière de la cellule. Pour certains gènes c’est directement l’ARN qui aura une fonction dans la cellule.
L’ensemble de ces éléments transcrits d’ADN en ARN est appelé le transcriptome (on parle alors de transcriptomique). L’ARN étant très proche chimiquement de l’ADN il est tout aussi simple de le séquencer. Ainsi, les énormes progrès effectués en matière de séquençages d’ADN profitent au séquençage d’ARN. Il est donc désormais possible de séquencer l’ensemble des ARN présent dans une cellule et d’ainsi découvrir ce qui en fait sa spécificité. Cela a encore d’autant plus d’intérêt lorsque l’on compare par exemple des organes sains à des organes malades afin de déterminer ce qui caractérise un tel état.

Schéma: de l’ADN (DNA) à la protéine, en passant par l’ARN (RNA).

L’ARN ne constitue cependant généralement qu’un intermédiaire entre l’ADN et la protéine, élément fonctionnel “final” dans la cellule. Le prochain gros challenge de la biologie systémique (discipline essayant de définir et comprendre les interactions/coopérations/cohabitation des différents éléments présents dans une cellule) sera certainement de pouvoir séquencer les protéines à large échelle. Le séquençage des protéines est une méthode bien établie mais bien plus lente et complexe que le séquençage de l’ADN. Ainsi, là où il est désormais facile de séquencer de grandes quantités d’ADN, il reste toujours plus compliqué de rapidement déterminer la séquence d’un grand nombre de protéines, ce qui pourrait pourtant nous apprendre encore bien plus sur la vie cellulaire. La protéomique a donc encore beaucoup à nous apprendre et de potentielles futures nouveautés technologiques aideront certainement à lui donner encore plus d’importance et d’efficacité.

Pour conclure

Les progrès dans le domaine de la génomique ont donc été considérables, tant au niveau technique que biologique. Si ce champ de recherche est amené à encore s’étendre il nous apprend aussi (et surtout?) que de nombreuses réponses seront à chercher ailleurs, notamment dans des domaines en expansion plus ou moins rapide tels que la protéomique, l’épigénomique ou la transcriptomique. Les techniques permettant d’étudier ces domaines existent bel et bien mais elles demandent généralement plus de temps et de patience pour donner des données et des résultats. Le “boom” de la génomique a déjà eu lieu, celui de la transcriptomique semble être en cours, quel sera le suivant?

Au début de l’année des universitaires de Honk Kong révélaient au grand public le fruit de plusieurs mois de travail: ils avaient réussi à stocker plusieurs téraoctets (un téraoctet équivaut à 1000 gigaoctets) de données encodées dans des bactéries. Des Escherichia coli plus précisément, certaines souches de ces bactéries étant intensément utilisées en laboratoire tandis que d’autres sont responsables d’intoxications alimentaires.

La nouvelle parait des plus intéressantes et a déjà fait fantasmer les fans de science fiction: dans quelques années, les disques durs classiques laisseront place à des cultures de bactéries. Les quelques 800 km d’étagères contenant les archives états-uniennes seront remplacées par quelques boites de Petri stockées dans des frigos.
S’agit il là de pure science fiction ou bien cette technologie dispose-t-elle d’un réel futur?

Comment ça marche?

Avant de pouvoir répondre à ces questions il faut bien comprendre comment fonctionne cette technologie. Ces étudiants ont donc inséré des informations numériques dans des bactéries sous forme de séquence d’ADN. Insérer de l’ADN dans une bactérie n’a rien d’exceptionnel de nos jours, des milliers de chercheurs effectuent cette tâche tous les jours. La réelle nouveauté ici a été de convertir un signal numérique en une séquence ADN contenant la même information grace à un encryptage des données. Ensuite, ces séquences d’ADN, sauvegardes de données numériques, sont insérées dans plusieurs bactéries de manière organisée de façon à pouvoir accéder rapidement à une donnée précise. Sinon la technologie serait des plus lentes. Imaginez par exemple que, pour accéder à un document précis sur votre ordinateur, vous deviez lire le nom de tous les fichiers présents jusqu’à que vous tombiez sur le bon…
Autres détails importants, les données sont insérées à plusieurs reprises afin d’éviter des pertes d’information et les séquences d’ADN insérées sont contrôlées afin d’être sur qu’elles ne correspondent à aucune séquence “nocive” connue.

A la vitesse… de l’escargot.

Des bactéries Escherichia coli, telles celles utilisées pour stocker des données numériques.

Comme vous pouvez vous l’imaginer, ces techniques, bien que bien établies pour certaines, demandent du temps. Entre calculer informatiquement la séquence ADN représentant une information numérique, générer ces séquences, les insérer dans la bactérie et contrôler l’efficacité du transfert il faut compter quelques jours.
Mais, il ne faut pas oublier que pour lire ces informations il faut les séquencer! Si les technologies de séquençage de l’ADN ont récemment vue leur coût décroître et leur efficacité augmenter cela reste toujours une opération coûteuse qui peut prendre au moins plusieurs jours entre la préparation des échantillons, le processus de séquençage en soi, et l’analyse informatique des séquences lues ainsi que son décryptage.
Il est donc facile de s’imaginer qu’à l’heure actuelle une telle technologie ne serait pas adapté au grand public mais plutôt à des organisations (gouvernementales ou privées) devant stocker un grand volume de données en sécurité. Tout en sachant que leur relecture serait un processus long. Pour résumer, il doit s’agir de données auxquelles nous ne devons pas accéder quotidiennement, mais plutôt des données que l’on peut récupérer en cas de perte des données d’origine.

Bactéries vs. disque dur

Cependant, pour avoir une vision complète du potentiel du biostockage il ne faut pas oublier de comparer cette technologie avec son concurrent: le stockage informatique des données.

Les disques durs ont peut être encore de beaux jours devant eux…

Si les capacités de stockage de ces bactéries peut sembler très attrayant, il ne faut pas oublier que le monde de la mémoire informatique évolue aussi sans cesse. Le prix du gigaoctet ne cesse de décroitre tout comme la taille des disques durs. Le stockage informatique des données sera très certainement toujours plus encombrant que celui basé sur des bactéries mais la rapidité d’écriture et d’accès aux données ne sera en rien comparable entre les technologies.
Aussi, un disque dur, branché à un ordinateur, pourra être accédé via le réseau internet. Ce qui ne sera pas le cas d’une bactérie. Si l’accès via le réseau peut être moins sécurisé (risque de piratage), il en reste tout de même pratique pour la majorité des cas d’utilisation. Dans tous les cas, un accès physique à la plateforme de stockage permettrait évidemment d’en récupérer les informations.

Enfin, il faut pas perdre de vue que le stockage bactérien reste hautement dépendant de la technologie. Conserver des données sur des centaines d’années, comme le clament les développeurs de la technologie, demande de conserver ces bactéries dans des réfrigérateurs qui ne connaîtront aucune perte de fonction durant autant d’années (bien qu’ils puissent évidemment être remplacés).
En effet, l’activité des bactéries est dépendante de la température. Aux alentours de 30-40 degrés (selon les espèces) elles prolifèrent, à 100 degrés elles meurent et en dessous de 0 leur rythme de croissance et leur activité métabolique sont fortement ralentis. Garder ces bactéries à faible température garantit qu’elles ne prolifèreront que très peu et que les mutations pouvant apparaître à chaque nouvelle génération seront ainsi limitées. Conserver une culture bactérienne de manière contrôlée sur des dizaines ou centaines d’années demande alors de forts investissements et une infrastructure de pointe. L’utilisation de votre petit frigidaire personnel sera tout aussi peut garanti que l’utilisation d’un disque dur classique, le risque de perte de données dû à une faille technique restant alors du même ordre de grandeur.

Alors, c’est pour bientôt?

Pour conclure, cette technologie reste assez attirante et il sera intéressant de suivre son évolution dans les années à venir. Cependant, il semblerait qu’elle ne soit pour l’instant, et même pour de nombreuses années encore, pas adaptée au grand public. Les contraintes techniques d’écriture et d’accès aux données tout comme de conservation des bactéries demandant à la fois du temps et des investissements conséquents. Un coût que pourraient assumer certaines grandes organisations gouvernementales ou privées nécessitant d’énormes capacités de stockage. Mais que pourront difficilement justifier de modestes particuliers…

Phophore, phosphate, arsenic et arsenate.

La bactérie GFAJ-1

Si vous ouvrez un livre d’enseignement de biologie il y a de fortes chances que vous y lisiez ceci ou quelque chose de similaire: “La vie se base sur la chimie de plusieurs atomes essentiels que l’on retrouve dans toutes les molécules indispensables de l’ADN aux protéines en passant par des molécules énergétiques telles que l’ATP. Ces atomes sont le carbone (C), l’hydrogène (H), l’azote (N), l’oxygène (O), le phosphore (P) et le soufre (S) regroupés sous l’appellation CHNOPS”.
Le phosphore est donc l’un de ces éléments de base de la vie et il est généralement présent dans la cellule sous la forme d’une groupement phosphate noté PO4.
Mais la publication de cette étude menée par Felisa Wolfe-Simon pourrait bien amener à une révision de ce dogme. En effet, l’équipe de scientifiques a prélevé des bactéries dans le lac Mono en Californie, lac réputé par son hypersalinité et sa haute teneur en Arsenic. Et l’une de ces bactéries, appellée GFAJ-1 dispose d’une propriété des plus fascinantes: elle peut croître en présence d’arsenic (As) mais surtout en absence (quasi) totale de phosphore.

Pour le grand public, l’arsenic est souvent considéré, et à raison, comme un puissant poison. Cette toxicité est due à sa grande ressemblance avec l’atome de phosphore. Dans nos cellules, l’arsenic, en raison de cette similarité, peut facilement prendre la place du phosphore et crée des groupements arsenate AsO4, similaires aux groupements phosphate PO4. Cet arsenate est alors intégré dans le métabolisme de la cellule. Mais le problème est que l’arsenic dispose de propriétés chimiques différentes de celle du phospore ce qui amène alors le métabolisme cellulaire à s’arrêter, n’arrivant plus à gérer ces composants comportant de l’arsenic.
La bactérie GFAJ-1 ne connait donc pas de tels problèmes. Tout d’abord, elle pousse très bien dans un milieu contenant du phosphore et s’y comporte alors comme une bactérie des plus normales. Mais, lorsque ce phosphore est réduit à un seuil ne permettant pas le développement de la vie et qu’il est remplacé par de l’arsenic, la bactérie pousse toujours! Moins rapidement qu’auparavant certes, mais elle survit sans problème, paraissant pouvoir substituer aisément l’arsenic au phosphore quand nécessaire. Comme je vous l’ai dit, ce phosphore est présent partout, dans les protéines, la membrane cellulaire, les lipides, mais aussi l’ADN. Les chercheurs ont alors regardé si GFAJ-1 avait effectivement incorporé de l’arsenic dans son ADN en lieu et place du phosphore et c’était bel et bien le cas; l’arsenic est présent dans l’ADN mais aussi des protéines et des lipides.

Adieu donc le dogme stipulant que la vie sur terre repose sur la chimie du fameux CHNOPS. GFAJ-1 nous démontre qu’une alternative existe et que le CHNOPS peut très bien se transformer en CHNOAsS (ce qui sonne bien moins bien je vous l’accorde).

ADN et exobiologie

En quoi cela est il important? Jusqu’à preuve du contraire, aucune loi n’empêche les bactéries d’incorporer de l’arsenic dans leur ADN non?
Rappelez vous, cette étude a été financée par la NASA qui débloque des fonds importants pour l’étude de l’exobiologie (ou astrobiologie chez nos amis anglo-saxons). Cette discipline étudie l’origine de la vie sur terre et, par extension, les conditions qui seraient nécessaires à l’apparition de la vie ailleurs dans l’univers. Et l’une des grandes questions de l’exobiologie mais aussi de la biologie en général est: la vie ne peut elle exister que de la manière que l’on connait (basée sur la chimie du carbone et l’ADN notamment) ou bien existe-t’il des alternatives?
Cette étude nous montre donc que des alternatives existent bel et bien. Y compris sur notre terre, nous pouvons trouver des organismes qui peuvent reposer sur une chimie légèrement différente des autres expèces vivantes. La vie semble donc pouvoir se développer de manière différente, du moins sans phosphore, et cela ouvre la voie à d’autres découvertes comme une hypothétique mais moins vraisemblable biochimie du silicium à la place du carbone.

Finalement, comme souvent en sciences, cette découverte nous donne bien plus de questions que de réponses. En effet, comment la machinerie cellulaire prend en charge cet ADN contenant de l’arsenic? Si les mécanismes permettant de répliquer et transcrire de l’ADN sont partiellement connus pour les systèmes classiques, il n’est nullement su si ils pourraient aussi fonctionner avec cet ADN d’un nouveau genre. Et si ce n’est pas le cas, comment fait cette bactérie pour accomplir ces fonctions vitales? Une autre question est celle de l’ATP (Adénosine TriPhosphate), l’une des molécules centrales du métabolisme énergétique qui contient, comme son nom l’indique, trois groupements phospate. En existe-t’il un équivalent incluant des groupements arsenate? Et si oui, intervient il de la même manière dans les différentes réactions chimiques le nécessitant que son équivalent phosphaté?
Mais surtout, la plus grande question ouverte reste de savoir si cette bactérie a la même origine évolutive que les autres bactéries mais aussi espèces vivantes connues.

Une nouvelle forme de vie?

Pour répondre à cette question il faut d’abord effectuer quelques rappels. Le dogme actuel stipule que tous les êtres vivants sur terre proviennent d’un même ancêtre commun dénommé LUCA (pour Last Universal Common Ancestor) qui, suite à d’innombrables évènements de spéciation a donné naissance aux multitudes d’espèces actuelles et passées. GFAJ-1 est elle aussi un descendant de LUCA ou existe-t’il une seconde origine distincte de la vie sur terre?

D’un point de vue personnel, il est plus probable que cette capacité à intégrer de l’arsenic dans son ADN soit le fruit d’une adaptation inédite à un environnement hostile que la démonstration de l’existence d’une forme de vie d’origine différente.
Premièrement, cette bactérie pousse très bien, et même mieux, en présence de phosphore et semble donc disposer du même métabolisme de base que les autres bactéries. Sa plus faible croissance en présence exclusive d’arsenic pourrait indiquer que le métabolisme cellulaire “par défaut” ou une voie parrallèle spécifique à la bactérie fonctionne aussi lorsque l’arsenic remplace le phosphore mais de manière moins efficace en raison de certains différences chimiques existant entre ces deux atomes.
Ensuite, cette bactérie a énormément de similarités avec d’autres bactéries. Le séquençage de son ribosome 16S montre de fortes similarités avec des gammaprotéobactéries, indiquant qu’elles pourraient être de proches parents et donc avoir une origine commune.
Enfin, cette bactérie vit dans un milieu anormalement riche en arsenic. D’autres bactéries ont montré qu’elles étaient capables de vivre dans de telles conditions, normalement létales. Celle ci en est également capable et va même juqu’à pouvoir survivre en absence de quantité suffisante de phosphore. Il pourrait donc simplement d’agir d’une adaptation de GFAJ-1 à ce milieu particulier tout comme certains micro-organismes se sont adaptés à des milieux riches en sels ou extrêmement chauds.
Cela n’élimine évidemment pas l’hypothèse d’une seconde origine de la vie sur terre mais la rend, à mes yeux, bien moins probable.

En conclusion

Cette découverte reste donc fondamentale et réellement excitante tout comme elle bouscule les dogmes de la chimie du vivant. Elle fera sans doute date dans l’histoire des sciences et amènera certainement les scientifiques à prendre cette découverte en considération lors de futures recherches. Peut être découvrera-t’on alors d’autres bactéries aux propriétés semblables ou même encore plus étonnantes. Et peut être comprendra-t’on comment ces voies inexplorées du métabolisme cellulaires fonctionnent.
En tout cas, à partir de maintenant, il faudra garder en mémoire que la vie peut se baser sur une chimie légèrement différente de la nôtre. Sur notre terre ou ailleurs dans l’univers…

Depuis un peu plus d’un an, un nouveau projet du genre a vu le jour: Galaxyzoo. Il est là un peu différent car ce ne sont pas les ressources de votre ordinateur qui seront mises à contribution mais votre propre cerveau.
La recherche dispose maintenant de nombreuses photos de galaxies mais de trop peu de chercheurs pour les classer selon leur forme. Et traiter toutes les images de manière informatique serait très long et au final peu fiable. C’est donc là que l’internaute entre en jeu!
Si vous souhaitez aider la recherche tout en découvrant de nouvelles données sur notre univers vous pouvez vous inscrire sur le site de GalaxyZoo et, après un rapide tutorial, commencer à découvrir des photos de galaxies récemment découvertes. Aidés de nombreux internautes, les chercheurs pourront ainsi disposer d’un catalogue de galaxies que leur sera très utile pour leurs recherches futures.

Le travail est assez simple, il vous suffira de dire si la galaxie est ronde, si elle a des spirales et, par exemple, le cas échéant, dans quelles sens sont elles. Seul petit bémol pour les non anglophones, le site est entièrement en anglais.

Si vous avez toujours été fasciné par l’espace mais n’avez pas pu ou voulu achever des études dans ce domaine vous pourrez donc tout de même aider la recherche et discuter avec une communauté de passionnés lors de la découverte de photos intrigantes ou très intéressantes.

Alors n’hésitez plus, vous n’êtes qu’à un click de l’immensité de l’espace…

Une récente découverte vient illustrer le fait que cet animal a effectivement beaucoup à nous apprendre!

Crédit photo: Flecki

Les scientifiques auteurs de cette étude parue dans la revue PNAS ont comparé, à large échelle, la structure des protéines présentes dans des souris et hétérocéphales jeunes et plus âgés. Ils ont alors observé que, chez la souris, la structure des protéines changeait plus entre les individus jeunes et âgés. La découverte était attendue dans la mesure où, entre autres, l’une des explications avancée pour expliquer le vieillissement cellulaire est le fait que les protéines se dégradent et/ou ne sont pas maintenues à leur état physiologique optimal.

En effet, les protéines sont les véritables ouvrières de nos cellules qui assurent une grande partie des tâches nécessaires à leur survie: construire la structure de la cellule, transporter les molécules énergétiques, les utiliser,… Pour ce faire, elles sont amenées à souvent changer de structure afin, entre autre, de pouvoir accomplir des tâches un peu différentes (comme un couteau suisse dont on sortirait un outil différent que celui couramment utilisé). Le retour à la conformation initiale est donc parfois imparfaite ou la protéine peut même se casser. Avec l’âge, les systèmes permettant d’éviter ou réparer ces approximations ou dégradations perdent aussi de leur efficacité, amplifiant alors le phénomène de vieillissement.

Les auteurs de l’étude ont alors fait une autre observation très intéressante: chez l’hétérocéphale la structure des protéines est bien plus conservée entre les individus jeunes et plus âgés. En d’autres mots, les protéines vieillissent moins chez cet animal que chez la souris, pouvant expliquer - en partie - leur longévité bien supérieure.

Cette étude vient donc confirmer l’importance de la conservation de la structure des protéines comme frein au vieillissement.

Des études plus poussées pourront permettre de trouver des solutions biomédicales au vieillissement. Une première piste à explorer est d’identifier les protéines qui, hautement préservées à travers le temps, donnent leur longévité exceptionnelle à l’hétérocéphale. Une seconde approche consisterait à comprendre pourquoi les systèmes contrôlant l’intégralité des protéines et de leur structure deviennent déficient avec le temps dans certaines espèces et pas (ou moins) dans d’autres.

Ces réponses constitueraient certainement une avancée vers le traitement de maladies dégénératives telles que la maladie d’Alzheimer ou de Parkinson.

Un des anciens dogmes de la génétique stipulait qu’un gène codait pour une protéine qui, de par sa fonction, influençait sur un ou plusieurs caractères (appelés phénotypes). La vérité est en fait plus complexe. Premièrement, un gène ne code pas pour une seule protéine mais peut potentiellement en donner plusieurs. Les scientifiques s’en sont notamment rendus compte en voyant que le génome humain ne comptait qu’environ 20 000 gènes là où l’on en prédisait 30 à 40 000.
De nombreuses études ont aussi montré qu’un gène est rarement responsable d’un caractère précis, d’une maladie,… Cela arrive dans certains cas mais, en général, il est difficile de prédire exactement le rôle d’un gène car tout autant que sa séquence, de nombreux autres paramètres entrent en compte pour déterminer sa fonction: sa localisation dans la cellule, la structure de la protéine, le type d’organes dans lequel il est actif mais aussi, et surtout, l’ensemble des autres protéines ou entités avec lesquelles la protéine interagit.
Ces réseaux d’interactions complexes sont à la fois durs à prédire et à définir. Ce constat à donner naissance à un nouveau domaine pluridisciplinaire, la biologie systémique.

D’autres phénomènes dont on ne soupçonnait pas (ou peu) l’existence sont à leur tour venus complexifier un peu notre vision.

Par exemple, des chercheurs se sont rendus compte que nous ne disposions pas toujours de 2 copies de chaque gène (une du père et une de la mère). En effet, chacun de nous possède des gènes pour lequel il dispose d’un nombre variable de copies (entre 0 et plusieurs copies - mais plus de deux) par rapport à d’autres individus de la même espèce. Ce polymorphisme en nombre de copies peut parfois être associé à des maladies génétiques connues telle que le syndrome de Smith-Magenis.

Un autre phénomène ajoutant de la complexité à l’étude du génome est le fait que lorsque nous disposons de deux copies de chaque gène (ce qui arrive la plupart du temps, hormis les cas mentionnés précédemment), un venant de chaque parent, dans certains cas, chacune de ces copies ne sont pas exprimées de la même manière. En effet, parfois, seule la copie du gène venant du père ou de la mère est active. De manière similaire, les gènes actifs dans un organisme féminin diffèrent parfois (en petit nombre cependant) de ceux exprimés dans un organisme masculin. Encore des paramètres à prendre en compte donc.

Enfin, un élément important à prendre en compte est qu’il n’y a pas que les gènes qui jouent un rôle.
En effet, seul 1,5% du génome humain est considéré comme codant et peut amener à la synthèse d’une protéine. D’autres éléments fonctionnels sont contenus dans le génome et leur conservation dans des espèces plus ou moins proches telles que la souris nous indiquent qu’ils ont vraisemblablement une grande importance au sein de notre organisme (sans quoi ils auraient très certainement disparus).
C’est le cas des ARN, copies plus instables et précaires de l’ADN qui sous différentes formes (il en existent de toute taille) interviennent dans la régulation de différents processus biologiques, un exemple typique étant l’inactivation du chromosome X par l’ARN XIST.

Des portions non codantes d’ADN, sont elles aussi fortement conservées d’une espèce à l’autre, suggérant là aussi une importance biologique. Leur fonction est là aussi peu connue, on leur prédit notamment un rôle dans la régulation de l’expression des gènes.

Huit ans après la publication de la première ébauche du génome humain, cet accomplissement a aidé bien des scientifiques pour répondre à des questions essentielles et les a aussi aidés à gagner en efficacité. Cependant, cela leur a aussi montré que les problèmes qui les attendent sont plus complexes que ce qui était initialement pensé. Sans compter, que l’étude du génome nous réserve peut être encore bien des surprises. Au moins, il restera du travail pour les générations futures…

Votre enfant a-t’il les moyens de battre Usain Bolt? Un simple test vous le dira.

En 2003, des chercheurs ont trouvé que le gène ACTN3 pouvait jouer un rôle déterminant dans votre potentiel athlétique.

Vous avez certainement appris durant vos cours de biologie que nous possédons une paire de chaque chromosome, un venant de notre père, l’autre de notre mère. C’est pour cela que nous disposons de deux copies de chaque gène, un venant de chaque parent. Souvent les gènes existent sous différentes formes qu’on appelle des allèles et qui peuvent potentiellement chacun donner une caractéristique différente (qu’on appelle phénotype).

C’est le cas du gène ACTN3 qui joue un rôle dans la contraction musculaire. Un de ces allèles, appelé R577X, empêche la protéine de s’exprimer. Une personne possédant sur chaque chromosome 11 l’allèle R577X pour ce gène n’aura donc pas cette protéine. Ce n’est pas un problème majeur, cela touche 18% de la population qui ne présente pas pour autant un quelconque trouble musculaire.

Il a par contre été montré qu’au sein d’un échantillon de sprinteurs ayant participé à des compétitions internationales, tous avaient au moins une copie fonctionnelle du gène. La moitié en avait même 2 copies. Ce gène semblait donc indispensable pour être parmi les plus rapides! Il a cependant été montré depuis que certains athlètes de haut niveau (un cas a été documenté dans la littérature scientifique) ne possédaient aucune copie fonctionnelle de ce gène ce qui semble indiquer que la corrélation n’est pas totale.

La découverte est donc intéressante et certains se sont jetés dessus. En effet, depuis peu, une entreprise américaine propose de détecter si votre enfant dispose de ce gène ou non et d’ainsi savoir si il dispose d’une prédisposition pour être un athlète de haut niveau (encore que ça ne concerne que les sports de puissance comme le sprint, saut en longueur,… et pas d’endurance où, au contraire, il est préférable de ne pas avoir ce gène). Pour 150$ vous pourrez donc savoir si votre progéniture a des chances de représenter un jour votre pays aux jeux olympiques sur 100 mètres.

En plus d’être assez plutôt inutile (hormis pour enrichir l’entreprise en question), cette offre peut être dangereuse en plusieurs points.

Premièrement, une prédisposition n’est signe de rien. De nombreuses personnes sont porteuses de ce gène et peu font de l’athlétisme à niveau international. De même que certains individus génétiquement prédisposés pour une maladie précise (comme le cancer du sein par exemple) ne développeront jamais de symptômes.

Ensuite, le risque que les enfants soient pressés par leurs parents dans une course à la performance est présent. Il y a déjà pléthore d’exemples de parents poussant leurs fils/filles à être les plus performants possibles et ce, sans examen génétique préalable. Alors maintenant, comment excuser un gamin de ne pas être un champion alors que c’est écrit dans ses gènes?

Enfin, ce cas ne peut, qu’une fois de plus, refaire surgir le démon de l’eugénisme. Si des parents sont prêts à payer pour savoir si leur enfant a le potentiel pour devenir le roi des pistes d’athlétisme, on peut grandement imaginer que certains n’hésiteront pas (lorsque ça sera techniquement voire légalement possible) à choisir un embryon qui donnera à un enfant qui, en plus d’être beau et intelligent, sera un excellent sprinteur.
Certes, ce n’est pas ce que propose cette entreprise, mais le fait qu’elle dispose de clients (et qu’elle en cherche) met à jour une tendance qui ne demande qu’à voir le jour dans un futur plus ou moins proche.

Un Rat-taupe nu particulièrement joli.

Vivant en Afrique de l’est (Kénya, Somalie et Ethiopie), ce rongeur est en effet considéré comme l’un des seul mammifère eusocial comme le sont par exemple les fourmis ou les abeilles (un autre cas est le rat-taupe de Damaraland, un proche parent). Ces animaux vivent dans des colonies hiérarchisées pouvant compter jusqu’à 300 individus. Une reine, plus grosse que les autres membres de la colonie, est la seule à donner naissance à de nouveaux “jolis” petits hétérocéphales. Pour cela elle dispose d’un harem de quelques mâles reproducteurs qui seront les seuls à pouvoir la féconder. Cette reine, peut avoir jusqu’à 5 portées par an; des portées allant d’une moyenne de 12 bébés jusqu’à 27. Là aussi, un record chez les mammifères.

Les rats-taupes nus vivent dans des galeries souterraines et sont particulièrement adaptés à cet environnement. Ils ont, par exemple, une vision très faible (à l’instar des taupes que nous rencontrons sous nos latitudes), sont munis de quelques poils sensoriels (leur permettant de se repérer dans les conduits) et se servent de leurs grandes dents pour pouvoir creuser leur habitat.

A ce propos, l’organisation sociale de ces animaux leur permet une grande efficacité pour creuser les galeries. Alors qu’un individu creuse la terre (à l’aide de ses dents donc), d’autres s’occupent de la dégager et de l’amener à l’extérieur. Pendant ce temps, d’autres membres de la colonie s’occupent de protéger les autres d’éventuelles attaques de prédateurs (notamment les serpents).

A l’instar de ceux étudiant les fourmis ou abeilles, certains scientifiques se penchent donc en détail sur ces animaux et étudient leur comportement. Comprendre comment une espèce se met à développer toute une société hiérarchisée alors que d’autres espèces (plus ou moins proches) en sont incapables, est en effet de premier intérêt. Notamment essayer de comprendre la base génétique (et son importance) d’un tel comportement.

Aussi, sa longévité record pour un rongeur peut intéresser au plus au point les chercheurs étudiant le vieillissement, notamment lorsque l’on sait que beaucoup d’expérimentations sont effectuées sur des souris, espèce relativement proche de ces rats-taupes.

Enfin, d’un point de vue assez différent, ces animaux sont un bon exemple d’évolution. Vivant dans des conditions très particulières (dans des galeries souterraines dans des pays chauds et secs), ils se sont adaptés de plusieurs manières à cet environnement (perte de sens peu utilisés comme la vue par exemple). Une question intéressante resterait donc de savoir si le développement d’une structure sociale est une adaptation nécessaire à la survie de ces espèces…