Par Yann Esnault

ADN : trois lettres aujourd'hui familières, car elles font l'actualité : thérapie génique, dépistage, OGM, police scientifique... Si l'ADN jouit d'une telle ubiquité, c'est qu'il s'agit tout simplement... de la molécule de l'hérédité ! Les pages suivantes donnent un rapide aperçu des circonstances de sa découverte, de l'importance actuelle de l'ADN dans différents domaines scientifiques... et de quelques applications insolites.

EN GUISE DE DÉFINITION...
ADN est un sigle commode pour Acide DésoxyriboNucléique. Derrière ce nom compliqué se cache la molécule clé du vivant : l'ADN est en effet le support matériel de l'information héréditaire. Il est formé par l'enchaînement linéaire de molécules plus simples, les nucléotides, qui peuvent être de 4 types différents. Dans l'enchainement des nucléotides, ou séquence, sont codées les instructions nécessaires à la synthèse de presque tous les constituants de la cellule. Cette information, qui est transmise au fil des générations cellulaires par la copie conforme des molécules d'ADN, détermine l'identité spécifique - le fait que les chiens ne font pas des chats... mais bien des chiens - ainsi qu'une bonne part de l'identité individuelle : deux vrais jumeaux, qui possèdent le même ADN, se ressemblent par d'innombrables aspects. L'ADN est constitué de deux brins complémentaires, qui s'enroulent l'un autour de l'autre en une "double hélice" et s'apparient de façon réversible. Le rôle de l'ADN dans le stockage et la transmission de l'information héréditaire est étroitement lié à cette structure remarquable, que les biologistes exploitent aujourd'hui de mille façons.

UNE MOLÉCULE LONGTEMPS SOUS-ESTIMÉE
Peu de molécules ont acquis la célébrité de l'ADN. Son nom complet n'est pas facile à retenir, mais sa structure est partout reproduite : c'est la fameuse double hélice, à l'allure d'échelle torsadée. Cette notoriété de l'ADN n'a pas été immédiate, loin s'en faut : près d'un siècle s'est écoulé entre sa découverte et son accession au statut d'icône scientifique.

En 1869, un jeune chimiste suisse nommé Friedrich Miescher essore des bandages purulents... Avec le pus, il dispose d'une source commode de globules blancs, des cellules qui l'intéressent en raison de leur gros noyau. Quelques années plus tôt, E.H. Haeckel avait en effet affirmé que l'information héréditaire réside dans le noyau. A partir du pus, Miescher isole une substance riche en phosphore et la baptise nucléine (du latin nucleus, noyau). On décrit bientôt la condensation de la matière du noyau, lors de la division cellulaire, en bâtonnets nommés chromosomes. En 1903, l'américain Walter S. Sutton propose que les "facteurs" héréditaires mis en évidence par Gregor Mendel 40 ans plus tôt (on parlera bientôt de gènes) sont localisés sur les chromosomes. Cette "théorie chromosomique de l'hérédité" sera étayée à partir de 1910 par les travaux de Thomas Hunt Morgan.

Au début du XXe siècle, on sait donc que l'information héréditaire est transmise avec les chromosomes, et que la nucléine (rebaptisée acide nucléique en 1889) est l'un des constituants des chromosomes. Pourquoi les biochimistes ne se ruent-ils pas sur cette molécule ? L'acide nucléique est en fait éclipsé par d'autres molécules trouvées dans les chromosomes, les protéines. Leur importance biologique avait été établie dès le début du XIXe siècle : elles faisaient des candidats bien plus crédibles que l'acide nucléique au titre de "molécule de l'hérédité". D'ailleurs, Miescher lui-même ne proposait pour sa molécule qu'un rôle de stockage du phosphore cellulaire...

Les premiers résultats sur la constitution de l'acide nucléique ne changent guère la donne. Dans les années 1920, le biochimiste Phoebus A. Levene établit que la molécule est un assemblage de molécules plus simples nommées nucléotides. Les nucléotides sont eux-mêmes formés par l'assemblage d'un acide phosphorique, d'un sucre - le désoxyribose - et d'une base azotée qui peut exister sous quatre formes : thymine, cytosine, adénine ou guanine (symbolisées par leurs initiales T, C, A et G). Levene montre que les nucléotides s'enchaînent par des liaisons sucre-phosphate. Toutefois, il estime à tort que les quatre bases sont présentes en quantités égales dans l'ADN, et imagine que les quatre types de nucléotides sont associés sous la forme d'un tétramère. L'ADN est donc perçu comme un polymère régulier, à la structure répétitive et monotone, impropre à contenir toute la richesse de l'information génétique... à la différence des protéines, dont les "briques" élémentaires, les acides aminés, peuvent être de vingt types différents. Il faut attendre 1951 pour que le modèle des tétranucléotides soit définitivement rejetté : le biochimiste Erwin Chargaff montre alors que le rapport (A + T) / (G + C) varie d'une espèce à une autre, ce qui permet enfin d'envisager l'ADN comme une molécule complexe, non monotone.

Une autre raison explique la lenteur de cette prise de conscience. Dans les années 1920, on ne soupçonne pas encore la taille des molécules d'ADN dans les chromosomes. Levene pense qu'elles n'excèdent pas une dizaine de nucléotides... Les travaux des suédois Torbjörn Caspersson et Einar Hammersten, dans les années 1930, sont les premiers indices que ces molécules possèdent un très haut poids moléculaire. On finit par découvrir qu'il s'agit de molécules géantes, formées par l'enchaînement de dizaines, voire de centaines de millions de nucléotides chez l'homme : déroulés, les filaments d'ADN contenus dans le noyau d'une unique cellule humaine atteindraient près d'un mètre !

L'ADN EST LA MATIÈRE DES GENES
La première expérience qui établisse le rôle capital de l'ADN a lieu en 1944. Elle est l'ouvre d'Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn MacCarty, des bactériologistes américains qui étudient les pneumocoques (bactéries responsables d'une forme de pneumonie). Seize ans plus tôt, le médecin britannique Frederick Griffith avait montré qu'un extrait de pneumocoques virulents peut conférer la virulence à des pneumocoques inoffensifs. Avery prouve que le "facteur transformant" est l'ADN, et non les protéines. L'information héréditaire est donc portée par l'ADN. Les résultats d'Avery reçoivent malheureusement peu d'échos. Huit ans plus tard, une expérience conduite par Alfred Hershey et Martha Chase achève de convaincre la communauté scientifique que les gènes sont constitués d'ADN.

Cet intérêt nouveau pour l'ADN aboutit à l'une des découvertes scientifiques les plus célèbres de l'histoire : en 1953, l'américain James Watson et l'anglais Francis Crick, semi-parias dans leur laboratoire à Cambridge, élucident la structure spatiale de la molécule. Grâce aux résultats cristallographiques obtenus par Maurice Wilkins et Rosalind Franklin au King's College de Londres, les deux compères établissent que l'ADN est formé de deux brins antiparallèles qui s'enroulent en une double hélice. Le "squelette" de chaque brin est constitué par l'enchaînement des parties sucre-phosphate des nucléotides, alors que les bases sont tournées vers l'intérieur de la molécule, face à l'autre brin. La structure est maintenue par l'appariement des bases en vis-à-vis, selon les règles de complémentarité A-T et G-C, ainsi que par leur empilement dans l'axe de la molécule. Le pas de l'hélice, de 34 angströms (dix-milliardièmes de mètre), correspond à la succession de 10 paires de bases. Les résultats de Chargaff sur l'abondance égale des bases pyrimidiques (T et C) et puriques (A et G) ont mis Watson et Crick sur la voie de ce modèle d'appariement, qui frappe avant tout les esprits par son élégance et sa simplicité.

Les implications du modèle "n'échappent pas" à Watson et Crick, pour reprendre leur formule. Chaque brin d'ADN contient l'information de la molécule entière, car l'autre brin peut être reconstitué en plaçant en face de chaque base la base complémentaire. Cela permet de comprendre comment le matériel génétique est dupliqué lorsqu'une cellule se divise : la double hélice s'ouvre comme une fermeture éclair et chaque brin sert de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire. Ce modèle de réplication "semi-conservatif" est confirmé expérimentalement en 1957. Un autre intérêt de cette structure à deux brins complémentaire est que, si l'un des brins est lésé au niveau de certains nucléotides, ceux-ci peuvent être remplacés grâce à l'information portée par l'autre brin. On a découvert dans les années suivantes que les cellules possèdent divers mécanismes de réparation de l'ADN, dévolus à la protection de la précieuse information génétique.

Par ailleurs, la complémentarité des deux brins fonde une propriété fascinante de l'ADN. Lorsqu'on chauffe une solution d'ADN au delà d'une certaine température (qui dépend de la proportion en paires de bases G-C), les deux brins se dissocient : on parle de dénaturation de l'ADN. Si l'on refroidit ensuite progressivement la solution, les deux brins peuvent se réassocier - "s'hybrider" - par le retour en vis-à-vis des séquences complémentaires. L'hybridation de brins d'ADN complémentaires est un phénomène exploité aujourd'hui dans de très nombreuses applications en biologie : détection de gènes d'intérêt dans une vaste collection de fragments d'ADN au moyen d'une "sonde" de quelques dizaines de nucléotides, analyse de l'abondance des produits d'expression des gènes par leur hybridation sur des "puces à ADN", ou encore amplification en chaîne d'un segment d'ADN présent à l'état de traces. Cette dernière technique, nommée PCR (pour Polymerase Chain Reaction), repose sur l'hybridation répétée de courts brins d'ADN servant d'amorces à une enzyme copiant l'ADN. Elle a trouvé d'innombrables applications, dont celle des "empreintes génétiques" (amplification de régions polymorphes du génome humain afin de prouver ou d'exclure l'identité de deux échantillons).

Revenons à la découverte de la double hélice en 1953. Le défi alors posé aux biologistes est de comprendre la façon dont l'information héréditaire est contenue dans l'enchaînement des nucléotides d'un brin d'ADN, ou plutôt dans la succession, ou séquence, des bases qui sont les seules parties variables. Dans les années qui suivent la publication de la double hélice se précise l'idée d'un code qui relierait la séquence des acides aminés dans une protéine à celle des bases dans un gène. Pour coder les vingt types d'acides aminés, il faut un minimum de trois bases : un tel triplet, nommé codon, peut en effet exister sous 64 formes différentes (4x4x4), contre 16 pour un doublet. Le tableau des correspondances entre codons et acides aminés, nommé code génétique, est élucidé expérimentalement entre 1961 et 1965. La biologie entre alors définitivement dans une ère nouvelle, en prenant pour objet la façon dont l'information génétique est stockée, transmise et traduite à l'échelle moléculaire.

UNE MOLÉCULE À LA FOIS UNIFORME ET DIVERSE
Tandis que l'on explore l'ADN comme molécule informationnelle, on continue parallèlement de l'étudier comme objet physique. On s'aperçoit bientôt que la réalité de cette molécule est plus complexe et dynamique que la double hélice monotone de Watson et Crick. Ceux-ci n'ont décrit que la forme la plus commune, nommée depuis forme B. Elle est parcourue par un petit et un grand sillon qui offrent des surfaces d'interaction distinctes pour les diverses protéines agissant sur l'ADN. En 1965, on découvre une forme d'hélice légèrement différente, nommée A, dont les sillons sont moins profonds. Enfin, en 1979, on décrit une structure radicalement différente des formes A et B, puisqu'il s'agit cette fois d'une hélice "gauche", tournant dans le sens opposé. Le rôle biologique de cette forme, nommée Z, demeure aujourd'hui mal compris, mais elle semble bien être présente à l'état naturel dans l'ADN des organismes supérieurs.

La topologie de l'ADN est aussi très importante. Chez la plupart des organismes, les molécules d'ADN existent sous une forme "superenroulée". Dans le cas des molécules d'ADN circulaires, comme en possèdent la plupart des bactéries, le superenroulement peut être compris avec l'image d'un élastique que l'on torsade entre ses doigts et qui s'entortille lorsqu'on cesse de le tendre. On peut aussi penser, dans le cas d'un ADN linéaire, à l'entortillement du fil du téléphone ayant subi des torsions... Le superenroulement négatif de la plupart des molécules d'ADN à l'état naturel peut se relâcher par l'ouverture locale de la double hélice, qui rend la séquence des bases accessible. Il a donc un rôle biologique important, et est contrôlé par des enzymes qui ajoutent ou suppriment des "tours" dans l'ADN.

Chez les organismes supérieurs, l'ADN est naturellement enroulé autour de protéines nommées histones, et associé à d'autres protéines pour former la chromatine. A ce premier niveau de compaction s'ajoutent des enroulements d'ordre supérieur qui aboutissent à ce qu'une immense molécule d'ADN soit contenue dans la forme compacte d'un chromosome.

LE GÉNIE GÉNÉTIQUE
Les connaissances progressivement acquises sur les aspects physiques et informationnels de l'ADN ont certes bouleversé la biologie. Une révolution plus considérable encore survient avec la découverte des moyens de manipuler l'ADN. C'est l'invention, dans les années 1970, des techniques du génie génétique :

• la découverte puis la purification d'enzymes bactériennes capables de copier l'ADN, d'autres capables de le couper en des sites précis, d'autres enzymes encore capables de recoller les segments obtenus ;
• la mise au point des techniques du clonage moléculaire, qui permettent d'amplifier un fragment d'ADN en le propageant dans un vecteur, molécule d'ADN circulaire pouvant être répliquée dans des cellules bactériennes ;
• l'invention, à la fin des années 1970, de techniques de séquençage, qui permettent de déterminer la succession des bases dans l'ADN, puis celle, en 1984, de la PCR, déjà mentionnée.
• . Enfin, l'amélioration des méthodes de synthèse chimique, qui permettent de produire rapidement et économiquement de courts segments d'ADN de quelques dizaines nucléotides (oligonucléotides) de la séquence voulue. L'ADN d'un virus a même pu être recréé de façon totalement artificiels, par assemblage de tels fragments de synthèse, et donner naissance à de nouvelles particules infectieuses.

Au cours des années 1980 et 1990, grâce au constant perfectionnement de ces techniques, il devient enfin possible de connaître l'ensemble de l'information héréditaire d'un organisme, c'est-à-dire la séquence de son génome. Les premiers génomes séquencés sont ceux, modestes, de virus : le génome du virus PhiX174, séquencé en 1977, ne comporte "que" 5386 bases. A partir de 1995, on accède aux génomes nettement plus gros de bactéries (de l'ordre du million de bases) puis d'invertébrés (centaine de millions de bases) et enfin au génome humain : sa séquence de trois milliards de bases est connue avec une grande précision depuis 2003. La séquence génomique complète donne accès (plus ou moins difficilement selon le type d'organisme) à l'ensemble des instructions, ou gènes, qui interviennent au cours de la vie de l'organisme. Dès lors, les biologistes ne raisonnent plus sur une "boîte noire" mais sur un ensemble fini. La portée - philosophique et pratique ! - de cette avancée est considérable, même si l'inventaire des gènes est loin de suffire à la compréhension des mécanismes du développement et du fonctionnement d'un organisme. Dans ce passage des gènes aux caractères de l'organisme réside en fait l'objet essentiel de la biologie. Les biologistes d'aujourd'hui peuvent aborder ces difficultés redoutables "en partant de la base", de façon intégrée, grâce à la puissance de l'informatique. De façon plus générale, la révolution de la génomique n'aurait pu avoir lieu sans le développement concommitant de la bioinformatique : des progrès matériels et logiciels ont été nécessaires pour l'acquisition, le stockage, le transfert, l'assemblage, la comparaison et l'annotation (le repérage des gènes) des séquences génomiques - et ont été suscités par ces besoins nouveaux. La chaîne de production d'un grand centre de séquençage comme le Genoscope est indissociable de l'outil informatique.

Les techniques du génie génétique ont rendu possible l'incroyable essor actuel des biotechnologies. Elles ont aussi soulevé dès le départ des questions d'éthique et de responsabilité. La mise au point des techniques de l'ADN recombinant (la jonction de deux molécules d'ADN d'origines différentes), perçue à l'époque comme une avancée prométhéenne, a été suivie en 1974 d'un moratoire d'un an sur ces techniques, décidé à la propre initiative des scientifiques. Mais les progrès en génétique moléculaire ont ensuite repris à un rythme soutenu. "A partir du moment où vous découvrez que vous pouvez faire cela [avec l'ADN], votre imagination devient sauvage", déclarait rétrospectivement David Baltimore, l'un des acteurs de cette révolution. L'imagination des biologistes cavalcade aujourd'hui de plus belle.

ORDINATEURS À ADN ET VELCROS MOLÉCULAIRES
Que de chemin parcouru depuis qu'en 1944, le grand physicien Erwin Schrödinger imaginait le support matériel de l'hérédité, de façon visionnaire, comme un "cristal apériodique". L'ADN, tel que nous le connaissons aujourd'hui, répond assez bien à cette définition : avec son squelette formé par l'enchaînement monotone sucre-phosphate, cette molécule présente une structure assez régulière, mais la séquence des bases n'est quant à elle contrainte à aucune régularité ; elle détermine même, comme on l'a vu, des variations de la courbure ou de la conformation de la molécule. Ces caractéristiques - régularité et diversité - font de l'ADN un objet aussi fascinant pour les chimistes et les physiciens que pour les biologistes. L'intérêt est aujourd'hui redoublé, car il est désormais possible de manipuler des molécules individuelles d'ADN de séquence connue ou définie ad hoc. Pour ce faire, les biophysiciens lient des molécules d'ADN par l'une de leurs extrémités à une surface de verre, et attachent de minuscules billes magnétiques à l'autre extrémité. En agissant sur une bille unique par diverses techniques (microscope à force atomique, pince optique ou magnétique), ils peuvent tirer sur une molécule d'ADN isolée ou la tordre tout en mesurant la force de traction ou de torsion. Ils acquièrent ainsi des informations sur le comportement de l'ADN in vivo lorsque des complexes protéiques s'y lient pour couper-coller la molécule ou modifier son degré d'enroulement. On envisage même de mesurer directement l'action de ces protéines in vitro grâce à de tels montages expérimentaux. Une autre application récente consiste à "peigner" des molécules d'ADN attachées par une extrémité. Le peignage de l'ADN facilite la cartographie génétique, et pourrait devenir un outil de diagnostic génétique. D'autres scientifiques souhaitent mettre à profit les caractéristiques remarquables de l'ADN dans des applications non-biologiques. C'est par exemple le cas des recherches sur les "ordinateurs à ADN", une formule un peu ronflante pour désigner l'usage de l'ADN dans la réalisation de calculs logiques. Le principe consiste à coder les termes du problème logique par diverses séquences d'ADN et par des relations de complémentarité entre ces séquences, puis à mélanger les molécules d'ADN pour les laissant s'hybrider au hasard : il ne reste plus alors qu'à amplifier sélectivement la ou les molécules-solution. L'avantage du calcul à ADN est qu'il offre un degré de parallélisme bien plus élevé que les ordinateurs actuels. Des problèmes non triviaux ont d'ailleurs déjà été résolus par ce moyen. D'autres applications de l'ADN sont à l'étude : citons, parmi de nombreux autres exemples, l'auto-assemblage de circuits éléctroniques à l'échelle moléculaire en utilisant l'ADN comme un "velcro". Les physiciens n'ont pas fini de puiser dans cette formidable boite à outils.