Biologie moléculaire : en quoi consiste cette discipline ?

La biologie moléculaire est une branche de la biologie qui vise à étudier les processus des êtres vivants au niveau des molécules.

Rédigé et vérifié par el biólogo Samuel Antonio Sánchez Amador.

Dernière mise à jour : 09 avril, 2023

La biologie moléculaire est une discipline scientifique au sein de la biologie chargée d’étudier les processus qui se déroulent chez les êtres vivants d’un point de vue moléculaire. C’est-à-dire la plus petite partie d’une substance chimique qui conserve ses propriétés.

Le Human Genome Project, lancé pour cartographier tous les gènes de notre espèce, propose la définition suivante de la biologie moléculaire : « L’étude de la structure, de la fonction et de la composition de molécules biologiquement importantes.

Il s’agit de molécules. Nous entrons dans un monde inconnu de beaucoup, parmi des termes passionnants qui fondent leurs fondements, dans la plupart des cas, sur des concepts abstraits invisibles à l’œil humain.

Les deux macromolécules de la vie

Selon la revue Nature, la biologie moléculaire, plus qu’un outil, est une approche, celle dont le but est de chercher au-delà des manifestations biologiques observables à grande échelle. Pour ce faire, les biologistes moléculaires s’appuient sur l’étude de deux macromolécules essentielles. Nous vous disons ci-dessous.

ADN

L’ADN ou acide désoxyribonucléique est la macromolécule de la vie, car elle contient les instructions génétiques utilisées dans le développement et la croissance de tous les organismes vivants. Elle est également responsable de la transmission héréditaire ou, ce qui revient au même, de l’évolution de l’espèce dans le temps.

On peut voir l’ADN comme une sorte de “bibliothèque”, puisqu’en son sein les nucléotides sont associés dans un certain ordre. Ces sous-unités, reliées par des liaisons phosphodiester, donnent naissance au brin d’ADN individuel. Cette chaîne, entrelacée à une autre de manière antiparallèle, forme la double hélice.

A son tour, chaque nucléotide contient une base azotée qui lui donne son nom. Celles-ci peuvent être les suivantes : l’adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et, dans le cas de l’ADN, la thymine (T). L’ordre des bases azotées dans la chaîne d’ADN génère différentes “phrases”, celles qui codent pour les protéines qui donnent naissance à la structure et à la fonction des organismes.

Protéines

On change un peu la troisième, puisque la deuxième macromolécule sur laquelle repose la biologie moléculaire est la protéine. Les protéines sont constituées d’acides aminés, qui sont codés dans les “phrases” qui sont formées toutes les trois paires de bases d’ADN. Donnons un exemple :

CCA→ cytosine (C), cytosine (C), adénine (A)→ Proline

Ainsi, le segment d’ADN avec les nucléotides disposés de manière CCA codera pour la synthèse de l’acide aminé proline. Grâce à la transcription et à la traduction, processus qui dépassent le cadre de cet espace, l’ARN permet aux instructions de l’ADN d’être transportées vers les ribosomes, où les protéines sont assemblées.

Ainsi, les protéines sont des polymères formés par une association d’acides aminés dans un ordre précis. Leur fonction est la défense structurelle, bio régulatrice et immunitaire. Fait intéressant, nous dirons que les protéines représentent environ 50 % du poids sec de la plupart de nos tissus.

Disciplines scientifiques connexes

Nous avons déjà décrit les deux principales molécules d’étude de la génétique moléculaire, mais quelles autres disciplines nous accompagnent dans la recherche du savoir ?

Biochimie

La biochimie est une branche de la science qui étudie la composition chimique des êtres vivants, en particulier les protéines, les glucides, les lipides et les acides nucléiques. Contrairement à la biologie moléculaire, elle se concentre davantage sur les processus métaboliques que subissent ces composés dans le corps des êtres vivants.

Un exemple de ceci serait la description de la synthèse du glucose à partir du glycogène. Cette science est chargée d’étudier les enzymes impliquées dans ce processus et tous les produits intermédiaires qui rendent possible la réaction complète. Pour ainsi dire, elle « cartographie » le métabolisme des êtres vivants.

La génétique

Lorsque l’ADN est impliqué dans l’étude d’un domaine scientifique, la génétique est nécessaire. La discipline tente de comprendre comment l’héritage biologique se transmet de génération en génération via l’ADN. Elle tente de prédire comment les mutations, les gènes individuels et leurs interactions affectent le phénotype des êtres vivants.

Caractéristiques de la biologie moléculaire

Nous avons déjà décrit les deux macromolécules d’étude et les deux branches de la science accessoire qui aident la biologie moléculaire à obtenir les connaissances sur lesquelles elle repose. Néanmoins, nous devons encore encadrer de manière plus tangible ce que les professionnels font réellement en la matière. Voyons quelques exemples :

• Enquêter avec la génétique : la structure, la fonction et la régulation exercées par les gènes sur l’organisme.
• Étudier les structures : des corpuscules cellulaires et leurs fonctions au sein de chaque type cellulaire : mitochondries, noyaux, ribosomes et autres.
• Étudier parallèlement à la biochimie : la cinétique et la composition des enzymes.
• Étudier la composition détaillée de certaines molécules : chez différentes espèces d’êtres vivants. Connaissance qui soutient la branche de la phylogénétique.
• Expliquer le comportement biologique des macromolécules à l’intérieur de la cellule : donc décrire les fonctions physiologiques d’un être vivant à partir de ces connaissances moléculaires.

Cette jeune science, érigée en discipline scientifique officielle dans les années 1930, est en expansion et en croissance continue. De nouvelles méthodes de recherche nous permettent de plus en plus de décrire des processus sous-jacents invisibles à l’œil humain. Bien entendu, les travaux de la biologie moléculaire ne font que commencer.

Principales techniques de biologie moléculaire

Nous avons posé les bases, mais il nous reste toute la pratique : il est temps de se lancer dans le domaine des techniques et des outils qui permettent d’obtenir toutes ces connaissances. Nous présentons ici les principales techniques utilisées par la biologie moléculaire.

1. Électrophorèse

Selon le National Human Genome Research Institute (NIH), l’électrophorèse est définie comme une technique utilisée en laboratoire pour séparer l’ADN, l’ARN ou les protéines en fonction de leur taille et de leur charge électrique.

La plupart des molécules sont chargées électriquement et se déplacent donc dans un champ électrique à une certaine vitesse. En appliquant un courant électrique à ces échantillons, placés sur un papier ou un gel, une séparation nette est réalisée. Les plus petites molécules se déplacent plus rapidement à travers le milieu vers le pôle qui les attire, tandis que les plus grosses restent derrière.

Cette différence de vitesse à travers la porosité du gel ou du papier permet aux scientifiques d’observer une série de bandes dans le milieu qui fournissent des informations pertinentes. Par exemple, vous pouvez connaître la taille de segments d’ADN inconnus si vous avez déjà un modèle de bandes.

2. Test PCR

La reine des techniques. Connue sous le nom de réaction en chaîne par polymérase, le test PCR permet aux chercheurs d’amplifier de très petits fragments d’ADN. Autrement dit, de faire un grand nombre de copies d’un segment spécifique en peu de temps.

Cela peut aider, par exemple, à diagnostiquer une maladie. Si le matériel génétique d’un virus est trouvé dans un échantillon d’un patient, lorsqu’il est amplifié, il peut être détecté beaucoup plus facilement par d’autres techniques ultérieures.

3. Altération des propriétés génétiques

Aussi surprenant que cela puisse paraître, la biologie moléculaire a permis à l’être humain d’introduire de nouveaux gènes dans des cellules d’organismes qui n’en auraient pas. Ceci, par exemple, permet aux chercheurs d’apprendre comment l’expression d’un gène affecte l’organisme ou de créer une fabrique de protéines, qui est codée par le gène introduit.

C’est le cas de l’insuline, puisque le gène qui la codifiait a été introduit chez l’être humain dans une souche d’E. coli et, à partir de là, une production massive de l’hormone a pu être réalisée, grâce à ces bactéries modifiées pour l’insuline des personnes diabétiques.

Quelques applications pratiques de la biologie moléculaire

Le tour de la biologie moléculaire se terminera par quelques applications pratiques dans diverses industries à usage humain. La société IBIAN Technologies nous montre les bienfaits de cette science de manière claire et concise. Voici quelques exemples:

• Création de plantes transgéniques : celles qui peuvent être résistantes à certaines maladies, montrer une plus grande adaptabilité aux environnements difficiles ou avoir une valeur nutritionnelle accrue.
• Croissance accélérée : de certaines espèces d’intérêt agronomique.
• Améliorations génétiques des souches bactériennes : qui leur font synthétiser des acides aminés, des vitamines, et un grand nombre de composés à usage humain.
• Production de médicaments : plus efficaces qui, à leur tour, ont moins d’effets indésirables.

Comme on peut le voir, la connaissance de la biologie moléculaire ne reste pas sur le papier. Connaître le comportement biologique des molécules au sein des cellules a permis aux humains de modifier certains processus clés chez divers êtres vivants, ce qui se traduit par des avantages médicaux et économiques.

L’avenir de la biologie moléculaire

Comme nous avons voulu l’exprimer dans ces lignes, il nous apparaît clairement que la biologie moléculaire, avec bien d’autres disciplines scientifiques, est l’avenir de la science. Grâce à l’étude de l’ADN, des protéines et d’autres molécules, cette branche de la biologie a conduit et conduira à de nombreuses avancées clés pour l’amélioration de la société moderne.

Le concept le plus pertinent de tout ce qui précède est le suivant : la biologie moléculaire est une approche qui tente de décrire les processus physiologiques des êtres vivants à partir des molécules qui les composent. De là, le ciel est la limite ou, dans ce cas, le génome lui-même.