« Une technique de génétique moléculaire utilisée pour la manipulation directe, l’altération ou la modification des gènes ou du génome des organismes afin de manipuler les phénotypes est appelée génie génétique. »

Ou en d’autres termes, nous pouvons dire,

« Le génie génétique est une technique utilisant laquelle la composition génétique d’un organisme peut être modifiée. »

Cette technique est souvent connue sous le nom de manipulation génétique, modification génétique ou altérations génétiques, au sens large, elle est classée dans la catégorie du génie génétique.

Dans cette technique, on construit un ADN recombinant que l’on insère dans le génome de l’hôte à l’aide d’un vecteur. On peut aussi supprimer certaines séquences mutantes d’un génome. Le premier ADN recombinant a été construit par Paul Berg en 1972.

En utilisant la technique du génie génétique, on peut construire des organismes génétiquement modifiés qui sont économiquement très importants pour nous.

Il est employé pour la production d’espèces végétales améliorées, de médicaments ou de protéines thérapeutiques, la prévention des troubles génétiques héréditaires et la construction d’un organisme génétiquement modifié.

Dans le présent article, nous allons notre discours majeur est le génie génétique et ses applications. Le contenu de l’article est,

• Qu’est-ce que le génie génétique
  • Définition
  • Histoire
  • Types
  • Processus

.

• Application du génie génétique
• Limitations du génie génétique
• Conclusion

Les humains manipulent depuis longtemps le matériel génétique de nombreux organismes. En utilisant la reproduction sélective et l’hybridation croisée, des espèces végétales économiquement importantes ont été créées par nous.

Le but du développement du génie génétique ou de la technique de manipulation génétique est de produire des organismes ou des phénotypes qui nous sont utiles. Les techniques de génie génétique sont utilisées pour,

• Construire des espèces végétales génétiquement modifiées.
• Espèces végétales résistantes aux stress antibiotiques et biotiques.
• Espèces végétales économiquement importantes
• Organisme à valeur commerciale
• Pour la production de médicaments thérapeutiques
• Prévention des anomalies génétiques.

« Dans le génie génétique, l’ADN de deux cellules différentes est combiné et inséré dans le génome de l’hôte via un vecteur. » Les éléments importants des expériences de manipulation génétique sont expliqués ici.

Gène d’intérêt : Une séquence d’ADN que nous voulons insérer dans nos cellules cibles.

Vecteur : en utilisant l’ADN plasmidique comme vecteurs, le gène d’intérêt est inséré dans le génome de l’hôte. Les vecteurs sont des sortes de véhicules qui transfèrent le matériel génétique.

Cellules cibles : les cellules cibles sont la population de cellules dont on souhaite manipuler ou modifier le génome.

Définitions :

« Une technique utilisée pour insérer ou supprimer un gène mutant ou pour manipuler le génome d’un organisme est connue sous le nom de génie génétique. »

Histoire du génie génétique :

Le terme génie génétique a été utilisé pour la première fois par le romancier de science-fiction, et non par un scientifique. Dans l’année, 1951, Jack Williamson a utilisé le terme « génie génétique » pour la première fois dans son roman « Dragon’s island ».

Suite à cela, la structure moléculaire de l’ADN a été découverte par Watson et Crick, bien que les expériences génétiques étaient populaires depuis l’époque de Mendel.

Le premier ADN recombinant a été construit par Paul Berg en 1972. La même année, Herbert Boyer et Stanley Cohen ont réalisé des expériences de transfert de gènes. En 1974, Rudolf Jaenisch avait créé des souris génétiquement modifiées, une première dans l’histoire de la génétique.

Après le succès de Rudolf, l’espèce végétale de tabac génétiquement modifiée ou génétiquement modifiée a été développée en 1976.

Pendant cette période (entre 1960 et 1990), on a découvert les techniques de digestion de restriction, de ligature et de type PCR qui ont donné des ailes à la technologie du génie génétique.

Article connexe : Qu’est-ce qu’un génome?

Type de techniques de génie génétique :

L’ADN recombinant- Une technologie d’ADN recombinant est un type de technologie de génie génétique dans lequel une molécule d’ADN artificielle est construite par la ligature de deux ADN différents en utilisant des méthodes physiques. Pour cela, le gène d’intérêt est inséré dans le vecteur plasmidique et utilisé pour des expériences de transfert de gènes.

Délivrance de gènes- La technique de délivrance de gènes est employée pour l’insertion d’un gène d’intérêt dans le génome de l’hôte.

L’électrophoration, la sollicitation et le transfert de gène médié par un vecteur viral, le transfert de gène médié par un liposome, le transfert de gène médié par un transposon sont quelques-unes des méthodes utilisées pour cela.

Édition de gènes- Une technique d’édition de gènes est utilisée pour modifier le génome dans lequel une séquence d’ADN indésirable est supprimée ou un nouveau gène peut être inséré dans le génome de l’hôte. CRISPR-CAS9, TALEN et ZFN sont quelques outils d’édition de gènes connus utilisés dans les expériences de thérapie génique.

Lire la suite : Qu’est-ce que l’édition de gènes et CRISPR-CAS9 ?

Processus de génie génétique :

La technique du génie génétique est utilisée pour de nombreux objectifs différents ainsi nous devons avoir à décider d’abord le but de l’expérience. L’ensemble du processus de génie génétique peut être divisé en 5 étapes plus larges :

• Sélection et isolement du gène candidat
• Sélection et construction du plasmide
• Transformation du gène
• Insertion de l’ADN dans le génome de l’hôte
• Confirmation de l’insert

Sélection et isolement du gène candidat :

Le gène doit contenir une séquence d’ADN que l’on veut étudier et pour cela, un gène a des caractéristiques particulières. Un gène candidat doit avoir un contenu GC élevé et une séquence d’ADN répétitive plus faible.

En plus de cela, le gène d’intérêt ne doit pas être trop long- seuls des gènes de quelques kb peuvent être insérés avec succès. Plus le gène est long, plus les chances d’échec sont élevées. Le gène candidat doit comporter un codon de départ et un codon d’arrêt. Article connexe : Qu’est-ce que le code génétique ?

Maintenant, le gène d’intérêt peut être isolé du reste de l’ADN en utilisant soit une digestion de restriction, soit une réaction en chaîne par polymérase.

Les endonucléases de restriction sont l’enzyme bactérienne ayant le pouvoir de digérer la séquence d’ADN à un endroit spécifique. En utilisant un type spécifique d’endonucléase de restriction, nous pouvons couper et isoler notre gène d’intérêt.

La méthode de digestion par restriction est expliquée dans notre article précédent : Qu’est-ce que la digestion de restriction ?

Dans la réaction en chaîne par polymérase, en utilisant l’information de la séquence du gène, le gène d’intérêt ou le gène candidat est amplifié dans le thermocycleur.

La machine, en utilisant la réaction en chaîne de la polymérase fait des millions de copies d’un gène de notre intérêt. Grâce au processus d’électrophorèse sur gel d’agarose, le gène amplifié est isolé.

Si le gène d’intérêt est bien étudié, précédemment, alors l’information d’un gène est accessible dans la bibliothèque génétique et nous pouvons l’utiliser pour la synthèse artificielle d’un gène de notre intérêt. (en utilisant les informations de la bibliothèque génétique, le gène peut également être synthétisé artificiellement)

Dans l’étape suivante, effectuez la purification de l’ADN, si nécessaire. Maintenant, notre ADN est prêt à être inséré dans un plasmide.

Sélection et construction du plasmide :

La sélection du plasmide pour l’expérience de génie génétique est l’une des étapes cruciales de toute l’expérience. Avant de sélectionner le plasmide, nous devons comprendre pourquoi le plasmide est utilisé dans les expériences de transfert de gènes.

L’ADN plasmidique est un ADN cytoplasmique circulaire à double brin des bactéries qui se réplique indépendamment.

Les scientifiques l’utilisent comme véhicule pour transférer le gène d’intérêt à l’emplacement cible dans le génome. Il peut transférer efficacement le gène à l’emplacement cible. La structure du plasmide est expliquée dans la figure ci-dessous,

Article connexe : Qu’est-ce qu’un plasmide ?

Préparation du plasmide :

Sélectionnez le plasmide qui convient à votre expérience.

Le plasmide doit avoir l’origine de réplication, la région promotrice, le gène de résistance aux antibiotiques et d’autres séquences importantes. En utilisant la méthode de digestion par restriction, un site d’insertion est introduit dans le plasmide auquel notre gène d’intérêt est ligaturé.

Utilisant l’ADN ligase T4 comme scelleur de puissance, l’ADN de notre intérêt dans inséré et ligaturé dans le plasmide. En même temps que le plasmide, un marqueur sélectionnable est également introduit dans l’ADN plasmidique pour identifier l’ADN recombinant.

En plus de cela, une région promotrice et des séquences terminatrices sont également incluses dans le plasmide pour l’expression efficace d’un gène de notre intérêt. Un plasmide avec notre gène d’intérêt et quelques autres séquences importantes est maintenant appelé une molécule d’ADN recombinant.

Notre ADN recombinant est maintenant prêt pour l’expression.

Si nous effectuons un clonage de gène que le plasmide est inséré dans l’hôte bactérien, pour cela généralement E.Coli sont couramment utilisés. Une fois que la bactérie commence à se diviser, notre ADN plasmidique recombinant se réplique également avec elle.

Nous avons maintenant les copies multiples de notre ADN plasmidique qui sont extraites en utilisant le kit d’extraction d’ADN plasmidique et utilisées pour les expériences de transformation.

Transformation dans le génome de l’hôte :

Le transport de l’ADN recombinant dans la cellule réceptrice ou le génome hôte est encore une autre tâche fastidieuse et difficile. Diverses méthodes d’insertion d’ADN recombinant sont utilisées pour divers types de cellules car une seule méthode ne peut pas être utilisée pour tous les types de cellules.

Diverses méthodes de transformation :

Utilisation du stress- les bactéries absorbent facilement l’ADN plasmidique en utilisant certains facteurs de stress comme la chaleur ou la chaussette électrique.

Microinjection- une aiguille pointue est utilisée pour l’insertion de l’ADN directement dans le noyau d’une cellule, cependant, cette méthode est moins efficace et nécessite un niveau d’expertise plus élevé pour cela.

Electroporation- une des meilleures méthodes ayant un grand taux de réussite est la méthode d’électrophoration dans laquelle l’ADN recombinant est inséré dans le génome de l’hôte en perméabilisant la cellule avec un courant électrique.

Nous avons couvert un article entier sur ce sujet. Lisez-le ici : Electroporation- Une technique moderne de transfert de gènes.

Sonication- la sonication est encore une autre bonne méthode parfois utilisée dans l’expérience de transfert de gènes dans laquelle l’ADN recombinant est inséré dans la cellule cible en utilisant des ondes ultrasoniques. Les ondes ultrasoniques augmentent également la perméabilité des cellules.

Transfert de gènes médié par les liposomes- En utilisant une enveloppe extérieure artificielle semblable à une cellule, connue sous le nom de liposome, l’ADN recombinant peut être inséré dans le génome de l’hôte.

Transfert de gènes par infection bactérienne- Cette méthode est l’une des méthodes populaires et couramment utilisée dans les expériences de génie génétique végétal. Ici, l’espèce végétale est infectée par les bactéries transformées pour insérer un gène d’intérêt.

L’Agrobacterium tumifecian est utilisé pour insérer l’ADN recombinant dans la cellule végétale. Un gène d’intérêt est inséré dans le plasmide Ti- de l’Agrobacterium. Les cellules végétales sont infectées par cette culture cellulaire de bactéries et les cellules transformées sont régénérées en utilisant les méthodes de culture de tissus végétaux.

Chimique dans le transfert de gènes- Certains ions métalliques, produits chimiques et solutions de différents produits chimiques sont également employés dans les expériences de transfert de gènes, cependant, le taux de réussite est trop faible par rapport aux autres méthodes.

Confirmation de l’insert :

Notre travail n’est toujours pas terminé.

Nous devons maintenant nous conformer, si l’ADN recombinant est inséré dans notre cellule cible ou non. Différentes technologies de génétique moléculaire sont utilisées pour cela. Dans la méthode traditionnelle de culture, la présence ou l’absence d’un marqueur sélectionnable est utilisée pour différencier les cellules transformées des cellules non transformées.

Cependant, ce n’est pas nécessaire pour la méthode de détection basée sur la PCR. La méthode de détection basée sur la réaction en chaîne par polymérase est largement acceptée plus fiable que les autres méthodes.

L’ADN est extrait de la cellule transformée et amplifié en utilisant les amorces complémentaires à notre gène d’intérêt ou à notre ADN recombinant.

Si l’ADN recombinant est présent il est sûrement amplifié sinon aucune amplification obtenue. Pour la conformation à deux facteurs, un jeu d’amorce complémentaire à l’ADN recombinant spécifique et un jeu d’amorce complémentaire à la séquence du marqueur sélectionnable sont pris et la PCR multiplex est effectuée.

Pour valider les résultats, l’amplification doit être obtenue dans les deux la réaction.

Mais attendez une minute !

Que se passe-t-il si une mutation se produit pendant l’expérience dans notre gène d’intérêt ? Parce que la PCR peut seulement amplifier l’ADN. Nous devons avoir besoin d’informations sur la séquence pour détecter la mutation.

Pour cela, on utilise la méthode de séquençage de l’ADN.

L’ADN est extrait des cellules transformées et le gène d’intérêt est amplifié à l’aide de la PCR. Maintenant, les amplicons de la PCR sont utilisés pour le séquençage de l’ADN dans lequel, en utilisant la chimie fluorescente, la séquence de notre gène d’intérêt est déterminée de manière ordonnée.

Une fois tous les paramètres de détermination du gène d’intérêt remplis, nos cellules sont maintenant prêtes à être injectées dans l’organisme hôte ou pour des expériences de culture de tissus.

Applications du génie génétique :

Venant maintenant au point important de ce sujet, « A quoi sert le génie génétique ? »

Le génie génétique a une grande valeur industrielle et agricole. Il est pratiqué en médecine, en recherche génétique, en agriculture, en amélioration des cultures et pour la production de médicaments thérapeutiques.

Il est également utilisé dans le développement d’organismes génétiquement modifiés. Nous abordons ici quelques-unes des applications importantes du génie génétique.

La technologie de l’ADN recombinant est utilisée dans l’amélioration des cultures et le développement de nouveaux traits économiquement importants. Certains d’entre eux sont :

• Résistance aux herbicides
• Résistance aux virus
• Maturation retardée des fruits
• Modification de la teneur en huile
• Contrôle du pollen
• Développement d’espèces végétales tolérantes au froid et à la sécheresse.

Un exemple classique en est le coton BT- un des types d’espèces génétiquement modifiées fournit une résistance à la plante contre le bacillus thuringiensis.

Processus de développement d’espèces végétales génétiquement modifiées:

Un gène d’intérêt est isolé de l’organisme par digestion de restriction ou amplifié par la réaction en chaîne de la polymérase. L’ADN recombinant est construit en insérant un gène d’intérêt dans le plasmide, ici le plasmide T- est utilisé.

Dans l’étape suivante, le plasmide T- est inséré dans l’agrobactérie. Dans la dernière étape, l’espèce végétale est infectée par les cellules bactériennes transformées et mise en culture. L’ensemble de son processus est montré dans la figure ci-dessous,

FGM- les aliments génétiquement modifiés sont une autre meilleure application du génie génétique dans laquelle des produits alimentaires économiquement importants sont construits en utilisant la technologie de l’ADN recombinant.

L’exemple classique en est la tomate Flavr Savr, une espèce de tomate génétiquement modifiée composée de la technologie de l’ARN antisens. Elle a de grandes valeurs économiques car la tomate GM- peut facilement être transportée d’un endroit à un autre.

Une autre application importante du génie génétique est la nourriture génétiquement modifiée ou génétiquement modifiée.

La qualité de certains des produits alimentaires tels que le coton, le maïs et le soja est améliorée en utilisant la technologie actuelle de l’ADN recombinant. L’objectif du développement de cultures ou d’espèces végétales génétiquement modifiées est de les rendre économiquement importantes, nutritives, riches en protéines, résistantes aux maladies et au stress.

Et même, en utilisant le génie génétique et les techniques de culture de tissus, des espèces végétales résistantes aux insecticides dans le tabac, la pomme de terre, le maïs et le coton sont développées.

En plus de cela, certaines plantes modifiées capables de générer leurs propres engrais peuvent également être créées en utilisant la présente technique de modification génétique.

Des organismes modèles transgéniques sont développés pour tester différents paramètres – la fonction de certains gènes peut être déterminée en concevant le micro-organisme transgénique et les modèles animaux.

Les agents pathogènes nocifs et les pastilles insecticides peuvent être détruits à l’aide de micro-organismes génétiquement modifiés qui sont capables de dégrader les produits toxiques.

Applications médicinales :

Des médicaments, des hormones, des enzymes et des vaccins à faible coût sont créés grâce aux outils du génie génétique.

Le facteur anti-coagulation sanguine en est le meilleur exemple dans lequel l’enzyme activatrice du plasminogène qui est capable de dissoudre le caillot sanguin est conçue artificiellement et utilisée chez les patients souffrant de maladie coronarienne ou de crise cardiaque.

D’autres exemples sont deux autres protéines thérapeutiques la somatostatine et les lymphokines qui sont travaillées contre plusieurs conditions de maladie et peuvent être synthétisées artificiellement. L’insuline est encore un exemple classique de protéine thérapeutique conçue à l’aide de la technologie du génie génétique.

Un gène de l’insuline est isolé par digestion de restriction ou par PCR et inséré dans le plasmide. L’ADN plasmidique recombinant est immédiatement inséré dans la cellule bactérienne ou de levure dans laquelle le plasmide se multiplie. Lorsque le micro-organisme commence à se diviser, il commence à fabriquer de l’insuline artificielle.

Une grande quantité d’insuline produite par la même technique à l’échelle industrielle. Le schéma détaillé de la production d’insuline est présenté dans la figure ci-dessous,

La production commerciale d’insuline a commencé après l’approbation de la FDA en 1982.

Vaccins recombinants :

Les vaccins contre la variole, le virus de l’herpès simplex et l’hépatite sont produits en utilisant la technique du génie génétique. Les vaccins sont les particules virales inactivées utilisées pour induire une réponse immunitaire contre ce pathogène, cependant, le risque de contamination y est élevé.

En utilisant la technologie de l’ADN recombinant, les scientifiques ont créé un type unique de vaccins qui ne contient que l’ADN de la protéine d’enveloppe virale ; ainsi, l’agent pathogène ne peut plus jamais être activé. Son principal avantage est qu’il est plus sûr, sans contamination et plus réactif.

Le génie génétique dans la thérapie génique :

En utilisant la technique de thérapie génique ou de transfert de gènes, on peut guérir des maladies génétiques héréditaires. Les thérapies géniques de type mucoviscidose, dystrophie musculaire de Duchenne et drépanocytose sont maintenant en phase finale d’essai clinique et prêtes à être utilisées sur des patients.

Dans la thérapie génique, un gène défectueux, non fonctionnel ou muté est remplacé par le gène sauvage en utilisant la même technique que celle expliquée ci-dessus.

Nous avons couvert des articles étonnants sur la thérapie génique, lisez-les ici :

1. Thérapie génique : Types, vecteurs , processus, applications et limites.
2. Qu’est-ce que la thérapie génique ? et comment fonctionne-t-elle ?
3. Thérapie génique médiée par l’ADN nu
4. Système transposon de la Belle au bois dormant : L’avenir de la thérapie génique

En plus de cela, la technologie du génie génétique est de même utilisée dans la production de biocarburant, de maladie, de bio alcool et d’autres produits essentiels.

Limites du génie génétique :

Il existe des problèmes éthiques liés à l’utilisation de la thérapie génique et des produits issus du génie génétique.

Aussi, pour donner une valeur économique au produit alimentaire ou à tout produit génétiquement modifié, les valeurs nutritionnelles sont compromises.

En raison de son effet négatif, de nouvelles souches pathogènes résistantes évoluent plus rapidement.

De plus, les effets secondaires de la thérapie génique et l’utilisation de virus dans celle-ci sont nocifs pour l’organisme cible.

La technologie est plus coûteuse car la thérapie génique coûte jusqu’à 50 000 USD.

Conclusion :

Jouer avec l’embryon ou le fœtus est contre la loi naturelle, les gens y croient fortement, ainsi les aliments et les produits végétaux génétiquement modifiés deviennent toujours un centre de controverse.

Cependant, en utilisant des outils de génie génétique tels que la thérapie génique et la technique de transfert de gènes, les troubles héréditaires et le cancer comme les maladies mortelles peuvent être évités. L’utilisation positive des techniques de génie génétique peut changer le destin de l’humanité.

Sources:

1. National Research Council (US) Committee on Identifying and Assessing Unintended Effects of Genetically Engineered Foods on Human Health. Safety of Genetically Engineered Foods : Approches pour l’évaluation des effets involontaires sur la santé. Washington (DC) : National Academies Press (US) ; 2004. 2, Méthodes et mécanismes de manipulation génétique des plantes, des animaux et des micro-organismes.
2. Wallace RB. Principes de la manipulation génétique. Une introduction au génie génétique. Études en microbiologie. Am J Hum Genet. 1981;33(4):652-653.