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X marque la place pour l'ADN Jumbo
L'action brûlante dans de nombreux domaines de la technologie tourne autour de la façon de rendre les choses de plus en plus petites. Contre cette tendance, des scientifiques de l'Université de Stanford ont synthétisé un brin d'ADN artificiel avec des molécules environ 15 pour cent plus grosses que la variété naturelle. Ce soi-disant xDNA a des propriétés qui manquent à l'ADN chétif que la nature prépare. C'est plus stable, par exemple. Il brille également sous la lumière ultraviolette. Ces traits suggèrent que xDNA pourrait être utile dans les procédures de diagnostic génétique et, potentiellement, dans les formes de vie artificielles. Notre plus grand intérêt est de savoir si nous pouvons concevoir notre propre système génétique, explique le professeur de chimie Eric Kool, qui a dirigé l'équipe de recherche de Stanford. Je pense que nous sommes sur la bonne voie.
Ce qui rend xDNA différent de l'ADN ordinaire, c'est sa structure. Normalement, l'ADN est une chaîne de nucléotides, dont chacun comprend un sucre, un phosphate et une base : soit l'adénine, la thymine, la guanine ou la cytosine (représentée dans les descriptions de l'ADN par A, T, G et C). Lorsque des brins d'ADN se lient les uns aux autres, les bases s'apparient d'une manière particulière : l'adénine se lie toujours à la thymine et la guanine à la cytosine.
Il y a environ trente ans, Nelson Leonard, alors chimiste à l'Université de l'Illinois et maintenant au California Institute of Technology, a trouvé un moyen d'étirer l'adénine afin qu'elle devienne fluorescente lorsqu'elle est exposée à la lumière ultraviolette. Ce que Leonard ne pouvait pas faire, c'était attacher le sucre et le phosphate à la base, créant un nucléotide complet ; les scientifiques de l'époque ne savaient pas comment fabriquer de l'ADN, bien que maintenant le processus de création de brins artificiels soit couramment utilisé dans les diagnostics médicaux génétiques.
Ce que Kool cherchait, c'était un moyen de créer une double hélice d'ADN. Il a d'abord synthétisé deux bases expansées : l'adénine et la thymine (xA et xT). Il a ensuite fabriqué des nucléotides à partir des bases xA et xT avec des sucres et des phosphates appropriés. En associant un xA à un T normal et un xT à un A normal, Kool a pu les assembler en une double hélice juste assez large pour contenir les bases étirées.
La construction des nucléotides a demandé quatre ans de travail. Kool a commencé par concevoir la structure des bases étirées, puis est passé à la synthèse, ce qui a nécessité de trouver des formes appropriées de sucres et de phosphates. Nous avons fait réaction chimique après réaction chimique après réaction chimique, dit Kool. La purification des résultats peut prendre des jours, voire des semaines. Et parce qu'une telle synthèse n'avait pas été faite auparavant, il y avait de nombreuses impasses.
Une fois que les chercheurs ont synthétisé des nucléotides stables et de grande taille, ils ont utilisé des équipements disponibles dans le commerce pour les lier ensemble en séquences d'ADN. L'ADN naturel a besoin d'environ 10,5 pas de nucléotides appariés pour effectuer une rotation complète dans la double hélice. Les bases élargies augmentent le diamètre de l'hélice, ce qui nécessite plus de telles étapes en conséquence. Étant plus grande, la structure moléculaire offre une stabilité accrue ; alors que l'ADN naturel dans le laboratoire de Kool s'est effondré à 21C, xDNA est resté intact jusqu'à 56C. Les recherches de Kool montrent que la structure en double hélice de l'ADN [naturel] ne doit pas être la seule, explique Danith Ly, professeur adjoint de chimie à l'Université Carnegie Mellon et expert dans le développement d'outils chimiques pour l'étude de la génomique et de la protéomique.
La quête ultime de Kool pour un système génétique sur mesure est un défi de taille et ne doit pas être précipitée, dit Ly : pour qu'une fonction biologique existe indépendamment de quoi que ce soit, elle a besoin de protéines, de lipides, d'enzymes, de toutes sortes de choses. Pour nous, le faire dans les cent prochaines années pourrait être possible, mais ce serait difficile. Et avant cela, Kool doit créer des versions étendues des bases G et C, qui seront probablement comparables en difficulté à son travail sur xA et xT.
Mis à part les scénarios de science-fiction des gènes de conception, Kool pense que xDNA a une implication pratique dans le diagnostic, en particulier dans l'amélioration des procédures médicales existantes qui détectent les problèmes de santé en fonction de la structure de l'ADN d'une personne. Les cliniciens à la recherche d'ADN ou d'ARN particulier chez une personne prélèvent un échantillon de tissu et introduisent un brin d'ADN artificiel qui se liera à ce matériau. Les techniques qui éliminent tout sauf les paires liées contenant l'ADN artificiel permettent aux laboratoires de rechercher facilement ce qui reste. S'il ne se lie pas correctement, vous savez qu'il s'agit d'une mutation ou que l'ADN [recherché] n'est pas là, déclare Paul Billings, vice-président et directeur national de la génétique et de la génomique chez Laboratory Corporation of America, une société de tests de diagnostic en Burlington, Caroline du Nord.
Parce que xDNA se lie plus fortement que l'ADN ordinaire, il serait plus résistant dans ce processus de test. De plus, sa fluorescence naturelle pourrait servir de balise, facilitant la détection. Même après que la technique était plus qu'une curiosité de laboratoire, cependant, son utilité diagnostique devrait être démontrée sur le terrain. Tout d'abord, vous devez prouver qu'il pénètre dans les cellules et se comporte d'une autre manière que l'autre ADN, dit Billings. Deuxièmement, vous devez prouver que c'est mieux que les autres méthodes. Il existe des méthodes bien établies qui fonctionnent maintenant, et aucune preuve pour l'instant que les propriétés de liaison et de fluorescence de xDNA constitueraient une nette amélioration.
De plus, les caractéristiques fluorescentes de xDNA auraient probablement besoin d'être ajustées, dit Ly. Selon l'article de l'équipe de Kool, la molécule s'illumine lorsqu'elle est éclairée par une lumière ultraviolette d'une longueur d'onde d'environ 390 nanomètres. Les tissus n'absorbent pas très bien à ces longueurs d'onde, note Ly, suggérant que pour une utilisation diagnostique, la base devrait être ajustée pour répondre à une lumière plus proche de l'extrémité rouge du spectre. Mais, selon Kool, cela ne poserait pas nécessairement un problème significatif dans les examens de tranches de tissu suffisamment minces. En fait, les nucléotides xDNA peuvent même changer de couleur ou d'intensité fluorescente lors de la liaison à l'ADN ou à l'ARN naturel, un phénomène qui ajouterait plus d'outils possibles au kit de diagnostic. Appelez cela une grande lumière pour les travailleurs médicaux.