10.2 : Biotechnologie en médecine et en agriculture
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Il est facile de voir comment la biotechnologie peut être utilisée à des fins médicales. La connaissance de la constitution génétique de notre espèce, de la base génétique des maladies héréditaires et de l'invention de technologies permettant de manipuler et de fixer des gènes mutants fournit des méthodes de traitement des maladies. La biotechnologie en agriculture peut renforcer la résistance aux maladies, aux ravageurs et au stress environnemental afin d'améliorer à la fois le rendement et la qualité des cultures.
Diagnostic génétique et thérapie génique
Le processus de dépistage des anomalies génétiques présumées avant l'administration du traitement est appelé diagnostic génétique par tests génétiques. Dans certains cas où une maladie génétique est présente dans la famille d'une personne, il peut être conseillé aux membres de la famille de se soumettre à des tests génétiques. Par exemple, les mutations des gènes BRCA peuvent augmenter le risque de développer des cancers du sein et des ovaires chez les femmes et certains autres cancers chez les femmes et les hommes. Une femme atteinte d'un cancer du sein peut subir un dépistage de ces mutations. Si l'une des mutations à haut risque est découverte, ses proches de sexe féminin peuvent également souhaiter subir un dépistage de cette mutation particulière, ou simplement être plus vigilants pour détecter la survenue de cancers. Des tests génétiques sont également proposés pour les fœtus (ou les embryons fécondés in vitro) afin de déterminer la présence ou l'absence de gènes pathogènes dans les familles atteintes de maladies débilitantes spécifiques.
CONCEPT EN ACTION
Découvrez comment l'ADN humain est extrait à des fins telles que les tests génétiques.
La thérapie génique est une technique de génie génétique qui pourrait un jour être utilisée pour soigner certaines maladies génétiques. Dans sa forme la plus simple, elle implique l'introduction d'un gène non muté à un endroit aléatoire du génome pour guérir une maladie en remplaçant une protéine qui peut être absente chez ces individus en raison d'une mutation génétique. Le gène non muté est généralement introduit dans les cellules malades dans le cadre d'un vecteur transmis par un virus, tel qu'un adénovirus, qui peut infecter la cellule hôte et introduire l'ADN étranger dans le génome de la cellule ciblée (Figure\(\PageIndex{1}\)). To date, gene therapies have been primarily experimental procedures in humans. A few of these experimental treatments have been successful, but the methods may be important in the future as the factors limiting its success are resolved.
Production de vaccins, d'antibiotiques et d'hormones
Les stratégies de vaccination traditionnelles utilisent des formes affaiblies ou inactives de microorganismes ou de virus pour stimuler le système immunitaire. Les techniques modernes utilisent des gènes spécifiques de microorganismes clonés dans des vecteurs et produits en masse dans des bactéries pour fabriquer de grandes quantités de substances spécifiques destinées à stimuler le système immunitaire. La substance est ensuite utilisée comme vaccin. Dans certains cas, comme dans le cas du vaccin contre la grippe H1N1, des gènes clonés à partir du virus ont été utilisés pour combattre les souches changeantes de ce virus.
Les antibiotiques tuent les bactéries et sont produits naturellement par des microorganismes tels que les champignons ; la pénicilline en est peut-être l'exemple le plus connu. Les antibiotiques sont produits à grande échelle en cultivant et en manipulant des cellules fongiques. Les cellules fongiques ont généralement été génétiquement modifiées pour améliorer les rendements du composé antibiotique.
La technologie de l'ADN recombinant a été utilisée pour produire de grandes quantités d'insuline, une hormone humaine, dans E. coli dès 1978. Auparavant, il n'était possible de traiter le diabète qu'avec de l'insuline porcine, qui provoquait des réactions allergiques chez de nombreux humains en raison de différences dans la molécule d'insuline. De plus, l'hormone de croissance humaine (HGH) est utilisée pour traiter les troubles de croissance chez les enfants. Le gène HGH a été cloné à partir d'une banque d'ADNc (ADN complémentaire) et inséré dans des cellules d'E. coli par clonage dans un vecteur bactérien.
Animaux transgéniques
Bien que plusieurs protéines recombinantes utilisées en médecine soient produites avec succès par des bactéries, certaines protéines ont besoin d'un hôte animal eucaryote pour être traitées correctement. Pour cette raison, des gènes ont été clonés et exprimés chez des animaux tels que des moutons, des chèvres, des poulets et des souris. Les animaux qui ont été modifiés pour exprimer l'ADN recombinant sont appelés animaux transgéniques (Figure\(\PageIndex{2}\)).
Plusieurs protéines humaines sont exprimées dans le lait de brebis et de chèvre transgéniques. Dans un exemple commercial, la FDA a approuvé une protéine anticoagulante du sang produite dans le lait de chèvres transgéniques destinée à être utilisée chez l'homme. Les souris ont été largement utilisées pour exprimer et étudier les effets de gènes et de mutations recombinants.
Plantes transgéniques
La manipulation de l'ADN des plantes (création d'organismes génétiquement modifiés ou OGM) a contribué à créer des caractéristiques souhaitables telles que la résistance aux maladies, aux herbicides et aux ravageurs, une meilleure valeur nutritionnelle et une meilleure durée de conservation (Figure\(\PageIndex{3}\)). Les plantes sont la principale source de nourriture pour la population humaine. Les agriculteurs ont développé des méthodes de sélection des variétés végétales présentant des caractéristiques souhaitables bien avant que les pratiques biotechnologiques modernes ne soient mises en place.
Les plantes transgéniques ont reçu de l'ADN d'autres espèces. Comme ils contiennent des combinaisons uniques de gènes et qu'ils ne sont pas limités au laboratoire, les plantes transgéniques et autres OGM sont étroitement surveillés par les agences gouvernementales afin de s'assurer qu'ils sont propres à la consommation humaine et ne mettent pas en danger d'autres formes de vie végétale et animale. Comme les gènes étrangers peuvent se propager à d'autres espèces présentes dans l'environnement, en particulier dans le pollen et les graines des plantes, des tests approfondis sont nécessaires pour garantir la stabilité écologique. Les produits de base tels que le maïs, les pommes de terre et les tomates ont été les premières plantes cultivées à être génétiquement modifiées.
Transformation de plantes à l'aide d'Agrobacterium tumefaciens
Chez les plantes, les tumeurs causées par la bactérie Agrobacterium tumefaciens se produisent par transfert d'ADN de la bactérie à la plante. L'introduction artificielle d'ADN dans les cellules végétales est plus difficile que dans les cellules animales en raison de l'épaisseur de la paroi cellulaire végétale. Les chercheurs ont utilisé le transfert naturel de l'ADN d'Agrobacterium à une plante hôte pour introduire des fragments d'ADN de leur choix dans des plantes hôtes. Dans la nature, les A. tumefaciens responsables de la maladie possèdent un ensemble de plasmides qui contiennent des gènes qui s'intègrent dans le génome de la cellule végétale infectée. Les chercheurs manipulent les plasmides pour transporter le fragment d'ADN souhaité et l'insérer dans le génome de la plante.
L'insecticide biologique Bacillus thuringiensis
Bacillus thuringiensis (Bt) est une bactérie qui produit des cristaux de protéines toxiques pour de nombreuses espèces d'insectes qui se nourrissent de plantes. Les insectes qui ont mangé de la toxine Bt cessent de se nourrir des plantes en quelques heures. Une fois la toxine activée dans les intestins des insectes, la mort survient en quelques jours. Les gènes de la toxine cristalline ont été clonés à partir de la bactérie et introduits dans les plantes, permettant ainsi aux plantes de produire leur propre toxine cristalline Bt qui agit contre les insectes. La toxine Bt est sans danger pour l'environnement et non toxique pour les mammifères (y compris les humains). En conséquence, son utilisation par les agriculteurs biologiques en tant qu'insecticide naturel a été approuvée. On craint toutefois que les insectes ne développent une résistance à la toxine Bt de la même manière que les bactéries développent une résistance aux antibiotiques.
Tomate FlavrSavr
La première culture génétiquement modifiée à être introduite sur le marché a été la tomate FlavrSavr produite en 1994. La technologie de génétique moléculaire a été utilisée pour ralentir le processus de ramollissement et de pourriture causé par des infections fongiques, ce qui a entraîné une augmentation de la durée de conservation des tomates GM. Des modifications génétiques supplémentaires ont amélioré la saveur de cette tomate. La tomate FlavrSavr n'a pas réussi à se maintenir sur le marché en raison de problèmes de conservation et d'expédition de la récolte.
Résumé
Les tests génétiques sont effectués pour identifier les gènes responsables de maladies et peuvent être utilisés pour aider les personnes touchées et leurs proches qui n'ont pas encore développé de symptômes de maladie. La thérapie génique, qui consiste à intégrer des gènes fonctionnels dans le génome d'individus porteurs d'un gène mutant non fonctionnel, a le potentiel de guérir les maladies héréditaires. Les organismes transgéniques possèdent de l'ADN d'une espèce différente, généralement généré par des techniques de clonage moléculaire. Les vaccins, les antibiotiques et les hormones sont des exemples de produits obtenus par la technologie de l'ADN recombinant. Des animaux transgéniques ont été créés à des fins expérimentales et certains sont utilisés pour produire des protéines humaines.
Les gènes sont insérés dans les plantes à l'aide de plasmides de la bactérie Agrobacterium tumefaciens, qui infecte les plantes. Des plantes transgéniques ont été créées pour améliorer les caractéristiques des plantes cultivées, par exemple en leur conférant une résistance aux insectes grâce à l'insertion d'un gène pour une toxine bactérienne.
Lexique
- thérapie génique
- la technique utilisée pour soigner les maladies héréditaires en remplaçant les gènes mutants par de bons gènes
- tests génétiques
- identification de variants génétiques chez un individu qui peuvent entraîner une maladie génétique chez cet individu