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Génie génétique: origine, concept, évaluation des risques et potentiel pour l’avenir

Des avantages déterminants pour le développement non seulement de la biotechnologie mais aussi de l’agriculture s’annoncent grâce au génie génétique. Autrefois, pour l’exploitation de matières premières biologiques à des fins agricoles, on était contraint de recourir aux espèces présentes dans la nature ou de les améliorer au moyen de la sélection ou d’une mutagenèse largement incontrôlée. Aujourd’hui, il est possible d’introduire des fragments d’ADN responsables de fonctions génétiques spécifiques dans les organismes les plus appropriés à l’exploitation.

Werner Arber
Professeur émérite, département de microbiologie moléculaire Université de Bâle

L’histoire du génie génétique

Alors que le génie génétique a fortement contribué, et continue à contribuer, aux connaissances actuelles en génomique, lui-même doit avant tout son développement à la recherche en génétique microbienne. Le commencement a été marqué en 1944 par la découverte que l’acide désoxyribonucléique (ADN) est le porteur de l’information génétique. En 1953, les recherches dans le domaine de la biologie structurale en ont élucidé la structure: il s’agit d’une molécule filiforme à structure en double hélice qui assure une multiplication fidèle de la molécule grâce à l’accouplement de nucléotides entre les deux brins. Egalement dans les années 1950, on a découvert que les bactériophages et les plasmides, c’est-àdire de petites molécules d’ADN qui se multiplient de manière autonome, font office de vecteurs naturels de gènes. Ils sont capables de transférer une partie de l’information génétique de leur ancien hôte à un nouvel hôte. Parfois, l’information génétique contenue dans l’ADN transféré est multipliée et exprimée dans le nouvel hôte.

Le génie génétique se base sur ces connaissances: l’idée consiste donc à extraire un court segment du très grand génome d’un organisme, de l’introduire in vitro dans un vecteur génétique et d’insérer la molécule hybride ainsi construite dans un hôte approprié où elle peut se multiplier et déployer ses fonctions.

Une contribution inattendue à cette approche a eu lieu dans le cadre de l’élucidation des systèmes bactériens de restriction et de modification à partir de 1960: les enzymes de restriction propres à une bactérie distinguent si l’ADN pénétrant de l’extérieur dans la cellule est d’origine étrangère ou s’il provient d’une bactérie de la même espèce. L’ADN ‹étranger› est coupé en fragments, qui sont ensuite rapidement débités en leurs éléments constitutifs par des exonucléases. Cette découverte a fait avancer d’un grand pas l’idée du génie génétique: à l’aide d’une enzyme de restriction, un génome peut être découpé en un grand nombre de fragments spécifiques susceptibles d’être séparés au moyen de l’électrophorèse sur gel.

Un fragment d’ADN purifié par cette méthode pourra ensuite être inséré dans une molécule vectrice qui a également été ouverte au moyen d’une enzyme de restriction et, dans une étape suivante, être introduit dans un hôte où il se multiplie et s’exprime éventuellement. Suivant la cellule hôte choisie, l’expression d’un gène permet d’en déterminer la fonction. Les méthodes de mutagenèse dirigée – l’induction artificielle d’une modification génétique en un site prédéterminé de l’ADN – contribuent également à cette analyse. Puisque la modification d’une séquence d’ADN peut entraver la fonction normale d’un gène, la mutagenèse constitue une aide importante dans l’analyse des fonctions de gènes. Finalement, les fragments de restriction purifiés du génome, à disposition de la recherche depuis les années 1970, ont participé à l’élucidation de séquences de nucléotides.

Auparavant, dans les années 1960, le code génétique universellement valable avait été élucidé. La connaissance de ce code et la possibilité de lire des séquences de nucléotides ont permis d’identifier des gènes spécifiques dans un génome. Il s’avère que les gènes sont de longueurs très différentes mais qu’ils contiennent en moyenne environ 1000 éléments constitutifs (nucléotides).

Les risques présumés

Les pionniers du génie génétique déjà discutaient les risques éventuels de cette nouvelle méthode.

Dès le début du développement encourageant du génie génétique, les pionniers de ce domaine de recherche ont débattu des risques éventuels de la méthode. J’ai en effet assisté en 1972 à la première discussion de principe concernant les risques, qui a eu lieu en Suisse (au Leuenberg, lieu de séminaires dans le canton de Bâle-Campagne) lors d’un atelier de l’EMBO1 sur les systèmes bactériens de restrictionmodification. En février 1975, la conférence internationale Asilomar2 en Californie a été consacrée aux risques présumés du génie génétique.
Il a été constaté à l’unanimité qu’il est nécessaire de différencier entre les risques imminents, pendant le travail de laboratoire, et les risques à long terme après la dissémination d’ADN recombiné. D’une part, dans le but d’éviter des risques, des directives de travail ont été recommandées. Celles-ci se modelaient sur les règles de travail des laboratoires de microbiologie médicale. D’autre part, il a été discuté de la possibilité que l’ADN recombinée disséminée dans la nature puisse éventuellement aussi se reporter de manière incontrôlée sur d’autres organismes. Il a vite été clair qu’il était nécessaire de connaître, pour l’appréciation des risques, les mécanismes moléculaires de la variation génétique spontanée, le moteur de l’évolution biologique naturelle.

Des connaissances solides sur les mécanismes moléculaires de la variation génétique naturelle ont à leur tour été acquises grâce à des expériences en génétique microbienne. Des comparaisons assistées par ordinateur de séquences d’ADN d’organismes évolutivement plus ou moins parents ont indiqué que ces principes ont également cours pour les organismes plus évolués. Une vue d’ensemble des connaissances sur les événements moléculaires de l’évolution biologique qui sont à disposition aujourd’hui est présentée ci-dessous.

Variation naturelle et expérimentale

Au vu de la grande similitude entre les procédés de génie génétique et la variation génétique naturelle, les éventuels risques liés au génie génétique sont probablement largement insignifiants.

En principe, l’information génétique de tous les organismes vivants examinés jusqu’à présent est relativement stable. Il se peut pourtant que, de temps à autre, une modification génétique ait lieu dans la lignée germinale d’un individu ou dans une cellule somatique. A tout moment, la sélection naturelle postulée par Charles Darwin agit sur une population de formes parentales et de variantes génétiques. Par sélection naturelle, on entend le choix naturel d’organismes vivants en fonction de leur capacité à s’adapter aux conditions de vie auxquelles ils sont soumis. Des conditions définies par la nature physique et chimique de l’environnement et par tous les organismes vivants présents dans un écosystème. Curieusement, il s’est avéré qu’une mutation spontanée ne procure que rarement un avantage sélectif à l’organisme concerné. Bien plus souvent, une nouvelle mutation entraîne des désavantages sélectifs qui font que le porteur de cette variante du gène ainsi que ses éventuels descendants disparaîtront au cours du temps. De plus, un grand nombre de nouvelles mutations sont sélectivement neutres, ce qui signifie qu’elles ne procurent ni avantage ni désavantage au porteur. Ces découvertes indiquent que les variations génétiques spontanées, qu’on nomme mutations, et leurs effets sont plutôt fortuits. C’est aussi à ce niveau que se situe la différence entre la variation génétique spontanée, qui a lieu dans la nature, et la variation expérimentale, se basant sur le génie génétique. Les processus moléculaires, en revanche, restent en principe identiques.

Consacrons-nous d’abord à la variation génétique naturelle. Il est établi que divers processus contribuent à la formation de variantes génétiques.

  • Modification locale dans la séquence d’ADN: celle-ci inclut la substitution d’un nucléotide par un autre, l’omission d’un ou de plusieurs nucléotides avoisinants, l’insertion d’un ou de plusieurs nucléotides supplémentaires, ainsi que le mélange de quelques nucléotides avoisinants. Il est important de noter que ces processus ne doivent pas être considérés comme des erreurs ou la conséquence d’accidents. Nous les comprenons aujourd’hui plutôt comme un effet coopératif de produits spécifiques de gènes avec des éléments non génétiques tels que la flexibilité structurale de molécules biologiques.
  • Restructuration par segments au moyen de recombinaisons dans le génome: ce processus, qui est en règle générale de nature enzymatique, concerne des segments de longueurs variables. Suivant l’enzyme de recombinaison impliqué, ces processus peuvent conduire au doublement d’un segment d’ADN, à son élimination (délétion) ou à son déplacement (translocation) vers une position différente du génome. Cela peut, de temps en temps, conduire à une fusion de deux segments fonctionnels qui étaient auparavant indépendants, résultant sous certaines conditions en une nouvelle fonction biologique.
  • Intégration d’un segment d’information génétique étrangère par l’intermédiaire d’un transfert de gènes horizontal: ce processus, aussi nommé acquisition, peut être hautement intéressant lorsque l’information génétique incorporée procure au porteur un avantage sélectif. De manière générale, il s’avère que le transfert horizontal de gènes est le processus le plus efficace lors de l’intégration d’un segment relativement petit d’information génétique étrangère.

Enfin, je fais remarquer encore une fois que, dans la nature, l’ensemble des mécanismes spécifiques de la variation génétique sont des processus plutôt rares. Des systèmes enzymatiques spécifiques ainsi que des processus de régulation de l’expression des enzymes faisant fonction de générateurs de la variation en sont en partie responsables. Pour autant qu’on sache, tous les organismes vivants examinés jusqu’à présent bénéficient d’une part d’une certaine stabilité génétique et d’autre part des avantages à long terme d’une évolution biologique activement entretenue au niveau de leur population.

Les processus de variation génétique connus dans la nature nous servent aussi dans le génie génétique: à l’exemple de l’acquisition naturelle d’ADN, des segments d’ADN relativement courts sont transférés horizontalement. Dans la mutagenèse dirigée, des modifications locales sont introduites dans des séquences d’ADN. Finalement, différentes séquences d’ADN déjà présentes dans le génome sont aussi combinées de temps en temps. Comme dans la nature, les modifications réalisées par génie génétique ont souvent du succès lorsque ce sont de courts segments qui sont introduits. En définitive, l’ensemble des variantes obtenues par génie génétique sont également soumises à la sélection naturelle. Nous ne devons pas oublier que des segments d’ADN transférés grâce à des méthodes de génie génétique se retrouvent parfois dans la nature et que, tôt ou tard, ils peuvent être transférés spontanément à d’autres organismes par un transfert horizontal de gènes.

En conclusion, nous pouvons constater qu’il n’y a pas de raison scientifiquement fondée d’attribuer des risques méthodiques particuliers aux procédés du génie génétique. L’expérience nous a appris que ni l’évolution biologique naturelle ni les procédés classiques de sélection ne comportent des risques particulièrement élevés. Au vu de la grande similitude entre les procédés de génie génétique et la variation génétique naturelle, nous pouvons présumer que les éventuels risques liés au génie génétique sont du même ordre que ceux de l’évolution biologique naturelle, donc largement insignifiants.

NOTES

1 European Molecular Biology Organization
2 Conférence scientifique internationale qui a eu lieu en 1975 à Asilomar, en Californie

LITTÉRATURE

[1] Arber, W. (2007) Genetic variation and molecular evolution. R.A. Meyers (Ed.) Genomics and Genetics, vol 1, Wiley-VCH, Weinheim, 385-406.
[2] Arber, W. (2009) The impact of science and technology on the civilization, Biotechnol. Adv. 27, 940-944.
[3] Arber, W. (2010) Genetic engineering compared to natural genetic variations, New Biotechnology 27, 517-521.
 
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