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Reproduction des procaryotes et biotechnologie
Comment les procaryotes se reproduisent-ils par fission binaire ? Utilisation de la bactérie E. coli en biologie moléculaire.
Les points clés :
- Les procaryotes (bactéries et archées) se reproduisent de manière asexuée par fission binaire. En général les procaryotes se reproduisent rapidement.
- Grâce à leur croissance rapide et leur génome simple, les bactéries Escherichia coli (E. coli) sont très utilisées en biologie moléculaire.
- En laboratoire, un gène peut être transféré dans des bactéries E.coli sur une petite molécule d'ADN circulaire appelée plasmide. Le plasmide est intégré dans la bactérie au cours d'un processus appelé transformation.
- Les bactéries transformées d'E.coli peuvent servir à générer de nombreuses copies du plasmide. Parfois elle peuvent exprimer le gène du plasmide et fabriquer une protéine.
Introduction
Imaginons qu'on ait une bactérie. Comment peut-on générer des bactéries identiques à celle-ci ? A quelle vitesse peut-on les obtenir ? Et surtout, pourquoi vouloir tout un tas de bactéries identiques ?
Commençons directement par la dernière question : certaines bactéries, comme la plus connue Escherichia coli (E.coli), sont très largement utilisées dans les laboratoires de biologie moléculaire. Elles servent en fait de petites "usines" pour générer de multiples copies d'une molécule d'ADN donnée, ou de nombreuses molécules d'une protéine essentielle (comme l'insuline utilisée par les diabétiques pour réguler leur glycémie). Plus on a de bactéries, plus on peut produire d'ADN ou de protéines.
Les deux caractéristiques qui font qu'E.coli est très utilisée en laboratoire sont sa reproduction rapide et sa capacité à générer des clones, c'est-à-dire des bactéries génétiquement identiques. On va voir brièvement comment E.coli et les autres procaryotes se reproduisent, puis on abordera leurs applications en biotechnologie.
Comment les procaryotes se reproduisent-ils ?
Les procaryotes se reproduisent grâce à un processus de division cellulaire appelé fission binaire. Comme la mitose chez les eucaryotes, ce processus consiste à copier le chromosome et séparer une cellule en deux.
La fission binaire est une forme de reproduction asexuée , ce qui signifie qu’elle n’implique pas la production d'œufs ni de sperme ou de mélange du matériel génétique provenant de deux individus. A l'exception de mutations rares ou de changements dans la séquence d’ADN, la fission binaire produit des cellules filles qui sont génétiquement identiques à la cellule mère.
Pour en savoir plus sur les étapes de la fission binaire, voir l'article fission binaire dans la partie division cellulaire.
Les procaryotes se reproduisent vite !
Les procaryotes se reproduisent en général beaucoup plus vite que les eucaryotes multicellulaires. Ceci peut se mesurer en terme de temps de génération soit le temps écoulé entre l'apparition d'une génération et celle de la suivante.
Chez l'Homme, le temps de génération moyen doit se situer aux environs de
Toutes les bactéries ne sont pas aussi rapides et certaines bactéries pathogènes telles que Mycobacterium tuberculosis, ont un temps de génération supérieur à
Les bactéries en biologie moléculaire
Les bactéries qui se reproduisent rapidement et sont faciles à cultiver en laboratoire font de bons modèles pour beaucoup d'études scientifiques. E. coli par exemple, est l'un des organismes les plus utilisés dans la recherche en biologie.
Bien qu'on entende plutôt parler d' E. coli en tant que contaminant alimentaire, ce sont des souches inoffensives de E. coli qui sont utilisées dans les laboratoires de biologie du monde entier. En fait, beaucoup de processus biologiques fondamentaux comme le mécanisme de réplication de l’ADN, ont été découverts chez E. coli.
E.coli : une usine à ADN et protéines
De nos jours, les bactéries E.coli servent de minuscules "usines" pour synthétiser de l'ADN ou des protéines. Les chercheurs insèrent un gène d'intérêt dans des cellules E.coli grâce à un processus appelé transformation (assimilation d'ADN à partir du milieu environnant), qui est décrit plus en détail dans l'article Variation génétique chez les procaryotes. Dans ce genre d'étude, le gène d'intérêt est généralement placé sur un morceau d'ADN circulaire appelé plasmide, qui peut être copié par la bactérie et être transmis à sa descendance.
Une fois que les cellules d'E.coli contiennent le plasmide porteur du gène d'intérêt, elles le répliquent et le transmettent à chaque fois qu'elles se divisent, créant ainsi de nombreuses copies de l'ADN plasmidique. Si le plasmide porte les bonnes séquences de contrôle, les bactéries E.coli peuvent ensuite transcrire puis traduire le gène d'intérêt et produire la protéine correspondante. Par exemple, la plus grande partie de l'insuline utilisée par les diabétiques est produite par E.coli en suivant ce procédé.
Les étapes de la transformation
Dans une expérience classique de transformation, le gène cible (ADN en bleu sur la figure ci-dessous) est d'abord inséré dans le plasmide. A côté du gène cible, le plasmide contient aussi un gène qui confère une résistance à un antibiotique particulier (ADN en rouge). Si le but est d'utiliser les bactéries pour synthétiser des protéines à partir de ce gène, le plasmide devra porter aussi un promoteur ou séquence de contrôle, qui permet au gène cible d'être exprimé dans la bactérie (ADN en vert).
Lorsque des copies du plasmide sont mélangées avec des bactéries E.coli et que les cellules sont soumises à un choc thermique (exposées brièvement à haute température), une petite fraction d'entre elles vont capter le plasmide. Toutes les bactéries E.coli sont alors étalées sur une plaque nutritive contenant l'antibiotique choisi. L'antibiotique a pour fonction de permettre seulement aux cellules contenant le plasmide de survivre et de croître.
Les bactéries E.coli ne possédant pas le plasmide sont éliminées par l'antibiotique. Par contre les bactéries E.coli contenant le plasmide peuvent survivre et se reproduire (grâce à leur gène de résistance antibiotique situé sur le plasmide). Chaque cellule résistante forme alors une colonie de bactéries génétiquement identiques, qui apparaît sur la plaque d'agar comme un petit point. Les colonies antibio-résistantes sont analysées (on vérifie par d'autres méthodes qu'elles contiennent le bon plasmide), puis cultivées pour obtenir une grande quantité de bactéries identiques porteuses du plasmide.
Pourquoi cultiver une grande quantité de bactéries portant le plasmide ? Les chercheurs ont parfois besoin d'un grand nombre de copies d'ADN du plasmide pour une autre expérience, et ils peuvent l'extraire à partir de cette culture. Par ailleurs, à condition que le plasmide contienne le bon promoteur, les bactéries peuvent être induites (recevoir l'ordre) pour exprimer le gène et synthétiser la protéine. Cette technique est utilisée pour produire des protéines importantes en médecine, telles que l'insuline et l'hormone de croissance humaine.
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