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En vidéo : la physique de l'ADN

La molécule d'ADN (Crédit : Accelerys). La molécule d'ADN (Crédit : Accelerys).

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Le rôle des physiciens dans la création et le développement de la biologie moléculaire moderne est important. La découverte de la structure de l'ADN elle même, par Crick et Watson, prend une partie de sa source dans un ouvrage publié en 1944 par le prix Nobel de physique Erwin Schrödinger. Dans son opuscule "Qu'est-ce que la Vie ?", Schrödinger prédisait en effet l'existence d'un cristal apériodique à l'intérieur des chromosomes, obéissant aux lois de la thermodynamique statistique et de la mécanique quantique. Aujourd'hui, presque tout le monde sait que ce cristal apériodique n'est autre que la fameuse molécule en double hélice. Piotr E. Marszalek et son équipe de la Duke University's Pratt School of Engineering, viennent de publier un article dans lequel ils rapportent la première mesure directe des forces moléculaires responsables des liaisons dans la molécule d'ADN.

La vidéo ci-dessus montre des simulations informatiques de la machinerie moléculaire en liaison avec l'ADN dans les cellules vivantes. La première illustre comment la molécule d'ADN est pliée puis enroulée pour constituer les chromosomes d'une cellule en train de se diviser. La seconde montre la réplication de la molécule d'ADN avec ouverture de la double hélice et copie de chaque brins pour former deux nouvelles molécules d'ADN.

Les propriétés mécaniques des molécules, et des amas d’atomes, sont d’une grande importance en biologie et pour la nanotechnologie. L’équipe du professeur Marszalek se concentre sur l’étude des déformations plastiques et élastiques des nanofilaments et des biopolymères comme les protéines, les polysaccharides et en l’occurrence, l’Acide DésoxyriboNucléique ou ADN.

Pour comprendre ce qu'ils ont fait, rappelons quelques notions sur la structure de l'ADN. Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessous, l'ADN est composé de deux brins torsadés constitués par la reproduction périodique d'un assemblage phosphate-sucre (désoxyribose). Sur ce squelette, se trouve montée une répartition apériodique de molécules que l'on appelle des bases azotées, représentées par leurs symboles A,T,G,C pour Adénine, Thymine, Guanine, Cytosine. Le tout fait partie des molécules connues sous le nom de nucléotides.

Crédit : Site de Biologie du réseau Collégial du Québec
Crédit : Site de Biologie du réseau Collégial du Québec

Pour percer tous les secrets du vivant, il faut pouvoir comprendre toutes les propriétés physico-chimiques de cette molécule. On peut en modéliser certaines d'entres elles en biophysique, grâce à la mécanique statistique des polymères et aux équations de la chimie quantique. On peut même faire des simulations numériques impressionnantes du fonctionnement de l'ADN dans les cellules. Cependant, toute théorie doit être confrontée à la réalité et bien souvent même, sans l'expérience, les théoriciens sont incapables de comprendre les mécanismes et les lois que la nature utilise effectivement.

Une des questions importantes concernant l’ADN est celle des forces stabilisant sa structure. En l’occurrence, il s’agit de comprendre et de modéliser les liaisons chimiques entre des bases complémentaires et enfin, entre les groupements phosphate-désoxyribose et ces mêmes bases azotées. Jusqu’à présent, les caractéristiques de ces forces avaient été déduites indirectement à partir des mesures faites sur des brins d’ADN non séparés et il était difficile d’isoler les contributions des différentes forces.

Pour contourner cette difficulté, les chercheurs ont alors entrepris d’utiliser un  microscope à force atomique mais sur un seul brin d’ADN. C’est une technique remarquable qui permet de mesurer précisément des forces entre molécules de l’ordre du pico-Newton. Par comparaison, les forces s’exerçant entre deux bouteilles d’eau sont de 20 Newtons.

Toutefois, les mesures qu’ils ont effectuées n’ont pas porté sur des molécules d’ADN naturelles. Ils ont en effet synthétisé deux types de molécules avec uniquement de l’Adénine dans un cas et uniquement de la Thymine dans l’autre. Dans le premier cas, on prévoyait que les attractions entre nucléotides seraient les plus fortes alors que pour celui de la Thymine, elles seraient les plus faibles.

De fait, des forces de 23 et 113 pico-Newtons ont été observées et, alors que le brin d’ADN formé de Thymine prenait une forme aléatoire, celui avec l’Adénine tendait naturellement à prendre une forme en hélice, suggérant ainsi que l’origine de la forme de la molécule de la Vie devait probablement se trouver dans la présence de cette base. Il reste cependant bien des études à faire.


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