Introduction à l’étude de la biologie cellulaire et moléculaire

Les cellules sont trop petites pour être vues, entendues ou touchées directement. En dépit de cet énorme handicap, les cellules font l’objet de centaines de milliers de publications chaque année, et presque tous les aspects de leur minuscule structure sont examinés. À bien des égards, l’étude de la biologie cellulaire et moléculaire est un hommage à la curiosité humaine pour chercher à découvrir, et à l’intelligence créatrice humaine pour concevoir les instruments complexes et élaborer des techniques par lesquelles ces découvertes peuvent être faites.

Cela ne veut pas dire que les biologistes cellulaires et moléculaires ont le monopole de ces traits nobles. À une extrémité du spectre scientifique, les astronomes cherchent dans les franges extérieures de l’univers des trous noirs et des pulsars tourbillonnants dont les propriétés semblent inimaginables comparées à celles de la Terre. À l’autre extrémité du spectre, les physiciens nucléaires concentrent leur attention sur les particules subatomiques qui ont des propriétés tout aussi inconcevables. De toute évidence, notre univers se compose de mondes à l’intérieur de mondes, dont tous les aspects rendent l’étude fascinante.

Comme on le verra tout au long de ces pages, la biologie cellulaire et moléculaire est réductionniste; c’est-à-dire qu’il est basé sur l’idée que la connaissance des parties du tout peut expliquer le caractère de l’ensemble. Vu de cette manière, notre sentiment de l’émerveillement et du mystère de la vie peut être remplacé par le besoin de tout expliquer en termes de fonctionnement de la «machinerie» du système vivant. Dans la mesure où cela se produit, on espère que cette perte peut être remplacée par une appréciation tout aussi forte de la beauté et de la complexité des mécanismes qui sous-tendent l’activité cellulaire.
■ Les cellules peuvent apparaître uniquement par division à partir d’une cellule préexistante.

Découverte des cellules

En raison de leur petite taille, les cellules ne peuvent être observées qu’à l’aide d’un microscope, un instrument qui fournit une image agrandie d’un objet minuscule. Nous ne savons pas quand les humains ont découvert pour la première fois la capacité remarquable des surfaces de verre incurvées à courber la lumière et à former des images. Les lunettes ont été fabriquées pour la première fois en Europe au XIIIe siècle et les premiers microscopes à lumière mixte (à double lentille) ont été construits à la fin du XVIe siècle. Vers le milieu des années 1600, une poignée de scientifiques pionniers avaient utilisé leurs microscopes faits à la main pour découvrir un monde qui n’aurait jamais été révélé à l’œil nu. La découverte de cellules est généralement attribuée à Robert Hooke, un microscopiste anglais qui, à 27 ans, a été nommé conservateur de la Royal Society of London, la plus grande académie scientifique d’Angleterre. L’une des nombreuses questions auxquelles Hooke a tenté de répondre était de savoir pourquoi les bouchons en liège (une partie de l’écorce des arbres) étaient si bien adaptés pour retenir l’air dans une bouteille.
Comme il l’écrivait en 1665: «J’ai pris un bon morceau de liège clair, et avec un stylo-couteau aiguisé comme un rasoir, j’en ai coupé un morceau, et. . . puis, l’examinant avec un microscope, je pensais que je pouvais le percevoir comme un peu poreux. . . Hooke a appelé les cellules des pores parce qu’elles lui rappelaient les cellules habitées par des moines vivant dans un monastère. En réalité, Hooke avait observé les parois cellulaires vides de tissus végétaux morts, murs qui avaient été initialement produits par les cellules vivantes qu’ils entouraient.

Pendant ce temps, Anton van Leeuwenhoek, un Néerlandais qui gagnait sa vie en vendant des vêtements et des boutons, passait son temps libre à broyer des lentilles et à construire des microscopes simples d’une qualité remarquable. Pendant 50 ans, Leeuwenhoek a envoyé des lettres à la Royal Society of London décrivant ses observations microscopiques – avec un discours décousu sur ses habitudes quotidiennes et l’état de sa santé.
Leeuwenhoek fut le premier à examiner une goutte d’eau d’étang sous le microscope et, à sa grande surprise, à observer les «animalcules» microscopiques qui grouillaient d’avant en arrière sous ses yeux. Il fut également le premier à décrire diverses formes de bactéries, qu’il obtint de l’eau dans laquelle le poivre avait été trempé et des raclures de ses dents. Ses lettres initiales à la Royal Society décrivant ce monde inédit ont été accueillies avec un tel scepticisme que la société a envoyé son conservateur, Robert Hooke, pour confirmer les observations.
Hooke a fait exactement cela, et Leeuwenhoek a été bientôt une célébrité mondiale, recevant des visites en Hollande de Pierre le Grand de la Russie et de la reine d’Angleterre.

Ce n’est que dans les années 1830 que l’importance des cellules s’est généralisée. En 1838, Matthias Schleiden, un avocat allemand devenu botaniste, a conclu que, malgré des différences dans la structure de divers tissus, les plantes étaient faites de cellules et que l’embryon de la plante provenait d’une seule cellule. En 1839, Theodor Schwann, un zoologiste allemand et un collègue de Schleiden, a publié un rapport complet sur la base cellulaire de la vie animale. Schwann a conclu que les cellules des plantes et des animaux sont des structures similaires et a proposé ces deux principes de la théorie cellulaire:
■ Tous les organismes sont composés d’une ou de plusieurs cellules.
■ La cellule est l’unité structurelle de la vie.

Les idées de Schleiden et Schwann sur l’origine des cellules se sont révélées moins perspicaces; les deux ont convenu que les cellules pourraient provenir de matériaux non cellulaires. Compte tenu de l’importance que ces deux scientifiques occupaient dans le monde scientifique, il fallut plusieurs années avant que les observations d’autres biologistes ne prouvent que les cellules ne se produisaient pas de cette manière, pas plus que les organismes naissaient spontanément. En 1855, Rudolf Virchow, un pathologiste allemand, mit en exergue un cas convaincant pour le troisième principe de la théorie cellulaire:

■ Les cellules peuvent apparaître uniquement par division à partir d’une cellule préexistante.

Propriétés de base des cellules

Tout comme les plantes et les animaux sont vivants, les cellules aussi le sont. La vie, en fait, est la propriété la plus fondamentale des cellules, et les cellules sont les plus petites unités à exhiber cette propriété. Contrairement aux parties d’une cellule, qui se détériorent simplement si elles sont isolées, les cellules entières peuvent être retirées d’une plante ou d’un animal et cultivées dans un laboratoire où elles se développeront et se reproduiront pendant de longues périodes. Si elles sont maltraitées, elles peuvent mourir. La mort peut également être considérée comme l’une des propriétés les plus fondamentales de la vie, car seule une entité vivante fait face à cette perspective. Remarquablement, les cellules du corps meurent généralement «de leur propre main» – les victimes d’un programme interne qui provoque la suppression des cellules qui ne sont plus nécessaires ou des cellules qui risquent de devenir cancéreuses.
La première culture de cellules humaines a été commencée par George et Martha Gey de l’Université Johns Hopkins en 1951. Les cellules ont été obtenues à partir d’une tumeur maligne et nommées cellules HeLa d’après lnom et prénom de la donneuse, Henrietta Lacks. Les cellules HeLa – produites par division cellulaire à partir de ce premier échantillon cellulaire – sont encore cultivées dans des laboratoires du monde entier (Figure 1.2). Parce qu’ils sont beaucoup plus simples à étudier que les cellules situées dans le corps, les cellules cultivées in vitro (c’est-à-dire en culture, hors du corps) sont devenues un outil essentiel pour les biologistes cellulaires et moléculaires. En fait, une grande partie de l’information qui sera discutée dans ces pages a été obtenue en utilisant des cellules cultivées en laboratoire.
Nous allons commencer notre exploration des cellules en examinant quelques-unes de leurs propriétés les plus fondamentales.

Les cellules sont très complexes et organisées

La complexité est une propriété qui est évidente lorsqu’on la rencontre, mais difficile à décrire. Pour le moment, on peut penser à la complexité en termes d’ordre et de cohérence. Plus une structure est complexe, plus le nombre de pièces qui doivent être à leur place est important, moins les erreurs dans la nature et les interactions des pièces sont tolérées, et plus la régulation ou le contrôle doit être important pour maintenir le système. Les activités cellulaires peuvent être remarquablement précises. La duplication d’ADN, par exemple, se produit avec un taux d’erreur de moins d’une erreur tous les dix millions de nucléotides incorporés – et la plupart d’entre eux sont rapidement corrigés par un mécanisme de réparation élaboré qui reconnaît le défaut.
Au cours de ces pages, nous aurons l’occasion de considérer la complexité de la vie à plusieurs niveaux différents. Nous discuterons de l’organisation des atomes en molécules de petite taille; l’organisation de ces molécules en polymères géants; et l’organisation de différents types de molécules polymériques en complexes, qui à leur tour sont organisés en organelles subcellulaires et finalement en cellules. Comme on le verra, il y a beaucoup de cohérence à tous les niveaux. Chaque type de cellule a un aspect cohérent lorsqu’il est vu sous un microscope électronique de grande puissance; c’est-à-dire que ses organites ont une forme et une localisation particulières, d’un individu d’une espèce à l’autre.
De même, chaque type d’organelle a une composition cohérente de macromolécules, qui sont disposées de manière prévisible.
Considérez les cellules qui tapissent votre intestin et qui sont responsables de l’élimination des nutriments de votre tube digestif (figure 1.3).

Les cellules épithéliales qui tapissent l’intestin sont étroitement liées les unes aux autres comme des briques dans un mur. Les extrémités apicales de ces cellules, qui font face au canal intestinal, ont de longs processus (microvillosités) qui facilitent l’absorption des nutriments.
Les microvillosités sont capables de faire saillie vers l’extérieur à partir de la surface de la cellule apicale car elles contiennent un squelette interne fait de filaments, qui à leur tour sont composés de monomères protéiques (actine) polymérisés dans un réseau caractéristique. À leurs extrémités basales, les cellules intestinales ont un grand nombre de mitochondries qui fournissent l’énergie nécessaire pour alimenter divers processus de transport membranaire. Chaque mitochondrie est composée d’un motif défini de membranes internes, qui à leur tour sont composées d’un ensemble cohérent de protéines, y compris une machine de synthèse d’ATP à alimentation électrique qui fait saillie sur la membrane interne comme une balle sur un bâton. Chacun de ces différents niveaux d’organisation est illustré dans les encarts de la figure 1.3.

Heureusement pour les biologistes cellulaires et moléculaires, l’évolution a évolué assez lentement au niveau de l’organisation biologique qui les concerne. Alors qu’un humain et un chat, par exemple, ont des caractéristiques anatomiques très différentes, les cellules qui composent leurs tissus et les organites qui composent leurs cellules sont très similaires. Le filament d’actine représenté sur la Figure 1.3, Encadré 3, et l’enzyme synthétisant l’ATP de l’Encadré 6 sont pratiquement identiques aux structures similaires trouvées dans des organismes aussi divers que les humains, les escargots, les levures et les séquoias. L’information obtenue en étudiant des cellules d’un type d’organisme a souvent une application directe sur d’autres formes de vie.
La plupart des processus les plus fondamentaux, tels que la synthèse de protéines, la conservation de l’énergie chimique ou la construction d’une membrane, sont remarquablement similaires dans tous les organismes vivants.

Les cellules possèdent un programme génétique et les moyens de l’utiliser

Les organismes sont construits en fonction d’informations codées dans une collection de gènes. Le programme de génétique humaine contient suffisamment d’informations, si elles sont converties en mots, pour remplir des millions de pages de texte. Remarquablement, cette vaste quantité d’informations est emballée dans un ensemble de chromosomes qui occupe l’espace d’un noyau cellulaire – des centaines de fois plus petit que le point sur ce i.
Les gènes sont plus que des casiers de stockage pour l’information: ils constituent les plans pour la construction des structures cellulaires, les directions pour l’exécution des activités cellulaires, et le programme pour faire plus d’eux-mêmes. La structure moléculaire des gènes permet des changements dans l’information génétique (mutations) qui conduisent à la variation entre les individus, ce qui forme la base de l’évolution biologique. La découverte des mécanismes par lesquels les cellules utilisent leur information génétique a été l’une des plus grandes réalisations de la science au cours des dernières décennies.

Les cellules sont capables de reproduire

Tout comme les organismes individuels sont générés par la reproduction, les cellules individuelles le sont aussi. Les cellules se reproduisent par division, un processus dans lequel le contenu d’une cellule « mère » est distribué dans deux cellules « filles ». Avant la division, le matériel génétique est fidèlement dupliqué, et chaque cellule fille reçoit une part complète et égale d’information génétique. Dans la plupart des cas, les deux cellules filles ont un volume approximativement égal. Dans certains cas, cependant, comme cela se produit lorsqu’un ovocyte humain se divise, l’une des cellules peut retenir presque tout le cytoplasme, même si elle ne reçoit que la moitié du matériel génétique (figure 1.4).

Les cellules acquièrent et utilisent l’énergie

Chaque processus biologique nécessite l’apport d’énergie. Pratiquement toute l’énergie utilisée par la vie à la surface de la Terre arrive sous forme de rayonnement électromagnétique provenant du soleil. L’énergie de la lumière est piégée par les pigments absorbant la lumière présents dans les membranes des cellules photosynthétiques (Figure 1.5). L’énergie lumineuse est convertie par la photosynthèse en énergie chimique qui est stockée dans des hydrates de carbone riches en énergie, tels que le saccharose ou l’amidon. Pour la plupart des cellules animales, l’énergie arrive « préemballée », sous forme de sucre glucose. Chez l’homme, le glucose est libéré par le foie dans le sang où il circule à travers le corps en fournissant de l’énergie chimique à toutes les cellules. Une fois dans une cellule, le glucose est désassemblé de telle sorte que son contenu énergétique peut être stocké sous une forme facilement disponible (habituellement l’ATP) qui est ensuite utilisé pour exécuter toutes les myriades d’activités nécessitant de l’énergie de la cellule. Les cellules dépensent une énorme quantité d’énergie simplement en décomposant et en reconstruisant les macromolécules et les organites dont elles sont faites. Ce «roulement» continu, comme on l’appelle, maintient l’intégrité des composants cellulaires face à l’usure inévitable et permet à la cellule de réagir rapidement aux conditions changeantes.

Les cellules effectuent une variété de réactions chimiques

Les cellules fonctionnent comme des usines chimiques miniaturisées. Même la cellule bactérienne la plus simple est capable de centaines de transformations chimiques différentes, dont aucune ne se produit à un taux significatif dans le monde inanimé. Pratiquement tous les changements chimiques qui se produisent dans les cellules nécessitent des enzymes – molécules qui augmentent considérablement la vitesse à laquelle une réaction chimique se produit.
La somme totale des réactions chimiques dans une cellule représente le métabolisme de cette cellule.

Les cellules s’engagent dans des activités mécaniques

Les cellules sont des sites d’activité animée. Les matériaux sont transportés d’un endroit à l’autre, les structures sont assemblées puis rapidement démontées et, dans de nombreux cas, la cellule entière se déplace d’un site à l’autre. Ces types d’activités sont basés sur des changements dynamiques et mécaniques au sein des cellules, dont beaucoup sont initiés par des changements dans la forme des protéines « motrices ». Les protéines motrices ne sont que l’un des nombreux types de « machines » moléculaires utilisées par les cellules pour effectuer des activités mécaniques.

Les cellules sont capables de répondre aux stimuli

Certaines cellules répondent aux stimuli de manière évidente; un protiste unicellulaire, par exemple, s’éloigne d’un objet sur son chemin ou se dirige vers une source de nutriments. Les cellules d’une plante ou d’un animal multicellulaire réagissent moins bien aux stimuli. La plupart des cellules sont recouvertes de récepteurs qui interagissent avec des substances dans l’environnement de manière très spécifique. Les cellules possèdent des récepteurs aux hormones, aux facteurs de croissance et aux matériaux extracellulaires, ainsi qu’aux substances sur les surfaces des autres cellules. Les récepteurs d’une cellule fournissent des voies par lesquelles les agents externes peuvent susciter des réponses spécifiques dans les cellules cibles. Les cellules peuvent répondre à des stimuli spécifiques en modifiant leurs activités métaboliques, en se déplaçant d’un endroit à un autre, ou même en se suicidant.

Les cellules sont capables d’autorégulation

En plus de nécessiter de l’énergie, le maintien d’un état complexe et ordonné nécessite une régulation constante. L’importance des mécanismes de régulation d’une cellule devient plus évidente quand ils tombent en panne. Par exemple, l’échec d’une cellule à corriger une erreur lorsqu’elle duplique son ADN peut entraîner une mutation débilitante, ou une rupture des mesures de contrôle de la croissance cellulaire peut transformer la cellule en une cellule cancéreuse capable de détruire l’organisme entier. Nous apprenons progressivement comment une cellule contrôle ses activités, mais il reste beaucoup à découvrir.
Considérez l’expérience suivante menée en 1891 par Hans Driesch, un embryologiste allemand. Driesch a découvert qu’il pouvait complètement séparer les deux ou quatre premières cellules d’un embryon d’oursin et que chacune des cellules isolées se développerait en un embryon normal (figure 1.6). Comment une cellule normalement destinée à ne former qu’une partie d’un embryon peut-elle réguler ses propres activités et former un embryon entier? Comment la cellule isolée reconnaît-elle l’absence de ses voisins, et comment cette reconnaissance redirige-t-elle le cours du développement de la cellule? Comment une partie d’un embryon peut-elle avoir un sens du tout? Nous ne sommes pas en mesure de répondre à ces questions beaucoup mieux aujourd’hui qu’il y a plus de cent ans lorsque l’expérience a été réalisée.
Tout au long de ces pages, nous discuterons des processus qui nécessitent une série d’étapes ordonnées, tout comme la construction d’une chaîne de montage d’une automobile dans laquelle les travailleurs ajoutent, enlèvent, ou font des ajustements spécifiques au fur et à mesure que la voiture avance. Dans la cellule, l’information pour la conception du produit réside dans les acides nucléiques, et les travailleurs de la construction sont principalement des protéines.
C’est la présence de ces deux types de macromolécules qui, plus que tout autre facteur, distingue la chimie de la cellule de celle du monde non vivant. Dans la cellule, les travailleurs doivent agir sans le bénéfice de la direction consciente. Chaque étape d’un processus doit se dérouler spontanément de telle sorte que l’étape suivante soit automatiquement déclenchée. À bien des égards, les cellules fonctionnent d’une manière analogue à l’engin de compression orange découvert par « The Professor » et illustré à la Figure 1.7. Chaque type d’activité cellulaire nécessite un ensemble unique d’outils et de machines moléculaires hautement complexes – les produits des éons de la sélection naturelle et de l’évolution biologique. Un objectif principal des biologistes est de comprendre la structure moléculaire et le rôle de chaque composant impliqué dans une activité particulière, les moyens par lesquels ces composants interagissent, et les mécanismes par lesquels ces interactions sont régulées.

Les cellules évoluent

Comment sont apparues les cellules? On suppose que les cellules ont évolué à partir d’un type de forme de vie précellulaire, qui à son tour a évolué à partir de matières organiques non vivantes qui étaient présentes dans les mers primordiales.
Alors que l’origine des cellules est entourée d’un mystère quasi total, l’évolution des cellules peut être étudiée en examinant des organismes qui sont vivants aujourd’hui. Si vous observez les caractéristiques d’une cellule bactérienne vivant dans le tractus intestinal humain (voir Figure 1.18a) et d’une cellule qui fait partie de la paroi de ce tractus (Figure 1.3), vous serez frappé par les différences entre les deux. cellules. Pourtant, les deux ont évolué à partir d’une ancestrale commune
cellule qui vivait il y a plus de trois milliards d’années. Les structures qui sont partagées par ces deux cellules lointaines, telles que leur membrane plasmique et leurs ribosomes, doivent avoir été présentes dans la cellule ancestrale. Nous examinerons certains des événements qui se sont produits pendant l’évolution des cellules dans les voies expérimentales à la fin du chapitre. Gardez à l’esprit que l’évolution n’est pas simplement un événement du passé, mais un processus continu qui continue de modifier les propriétés des cellules qui seront présentes dans les organismes qui doivent encore apparaître.

Deux classes de cellules fondamentalement différentes

Une fois que le microscope électronique a été mis au point, les biologistes ont pu examiner la structure interne d’une grande variété de cellules. Il est apparu à partir de ces études qu’il y avait deux classes de cellules de base – procaryotes et eucaryotes – se distinguant par leur taille et les types de structures internes, ou organelles, qu’elles contiennent (Figure 1.8). L’existence de deux classes distinctes de cellules, sans aucun intermédiaire connu, représente l’une des divisions évolutionnaires les plus fondamentales dans le monde biologique. Les cellules procaryotes structurellement plus simples comprennent des bactéries, tandis que les cellules eucaryotes structurellement plus complexes comprennent des protistes, des champignons, des plantes et des animaux.

Nous ne savons pas exactement quand les cellules procaryotes sont apparues sur Terre. La preuve de la vie procaryote a été obtenue à partir de roches d’environ 2,7 milliards d’années. Non seulement ces roches contiennent des microbes fossilisés, mais elles contiennent des molécules organiques complexes caractéristiques de types particuliers d’organismes procaryotes, y compris les cyanobactéries. Il est peu probable que de telles molécules aient pu être synthétisées abiotiquement, c’est-à-dire sans l’implication de cellules vivantes. Les cyanobactéries sont apparues presque certainement il y a 2,4 milliards d’années, car c’est à ce moment que l’atmosphère est infusée d’oxygène moléculaire (O2), qui est un sous-produit de l’activité photosynthétique de ces procaryotes. L’aube de l’âge des cellules eucaryotes est également entourée d’incertitude. Des animaux multicellulaires complexes apparaissent assez soudainement dans les archives fossiles il y a environ 600 millions d’années, mais il existe de nombreuses preuves que des organismes eucaryotes plus simples étaient présents sur Terre il y a plus d’un milliard d’années. La durée estimée de l’apparition sur Terre de plusieurs grands groupes d’organismes est illustrée à la figure 1.9. Même un examen superficiel de la figure 1.9 révèle comment la vie est apparue «rapidement» après la formation de la Terre et le refroidissement de sa surface, et combien de temps cela a pris pour l’évolution subséquente des animaux et des plantes complexes.

Caractéristiques qui distinguent les cellules procaryotes et eucaryotes

La brève comparaison suivante entre les cellules procaryotes et eucaryotes révèle de nombreuses différences fondamentales entre les deux types, ainsi que de nombreuses similitudes (voir Figure 1.8). Les similitudes et les différences entre les deux types de cellules sont énumérées dans le tableau 1.1. Les propriétés partagées reflètent le fait que les cellules eucaryotes ont presque certainement évolué à partir d’ancêtres procaryotes.
En raison de leur ascendance commune, les deux types de cellules partagent un langage génétique identique, un ensemble commun de voies métaboliques et de nombreuses caractéristiques structurelles communes. Par exemple, les deux types de cellules sont délimités par des membranes plasmiques de construction similaire qui servent de barrière sélectivement perméable entre les mondes vivants et non vivants. Les deux types de cellules peuvent être entourés d’une paroi cellulaire rigide et non vivante qui protège la forme de vie délicate à l’intérieur. Bien que les parois cellulaires des procaryotes et des eucaryotes puissent avoir des fonctions similaires, leur composition chimique est très différente.
À l’intérieur, les cellules eucaryotes sont beaucoup plus complexes – structurellement et fonctionnellement – que les cellules procaryotes (Figure 1.8). La différence de complexité structurale est évidente dans les micrographies électroniques d’une cellule bactérienne et d’une cellule animale montrées sur les figures 1.18a et 1.10, respectivement. Les deux contiennent une région nucléaire, qui abrite le matériel génétique de la cellule, entouré de cytoplasme. Le matériel génétique d’une cellule procaryote est présent dans un nucléoïde: une région mal délimitée de la cellule qui n’a pas de membrane limite pour la séparer du cytoplasme environnant.
En revanche, les cellules eucaryotes possèdent un noyau: une région délimitée par une structure membranaire complexe appelée enveloppe nucléaire. Cette différence de structure nucléaire est à la base des termes procaryotes (pro avant, noyau karyon) et eucaryotes (eu vrai, noyau karyon). Les cellules procaryotes contiennent des quantités relativement petites d’ADN; la teneur en ADN des bactéries varie d’environ 600 000 paires de bases à près de 8 millions et code entre environ 500 et plusieurs milliers de protéines.2 Bien qu’une cellule de levure de boulangerie «simple» ne possède qu’un peu plus d’ADN (12 millions de paires codant environ 6200 protéines) ) que les procaryotes les plus complexes, la plupart des cellules eucaryotes contiennent beaucoup plus d’informations génétiques.
Les cellules procaryotes et eucaryotes ont des chromosomes contenant de l’ADN. Les cellules eucaryotes possèdent un certain nombre de chromosomes séparés, chacun contenant une seule molécule linéaire d’ADN. En revanche, presque tous les procaryotes qui ont été étudiés contiennent un seul chromosome circulaire. Plus important encore, l’ADN chromosomique des eucaryotes, contrairement à celui des procaryotes, est étroitement associé aux protéines pour former un matériau nucléoprotéique complexe connu sous le nom de chromatine.
Le cytoplasme des deux types de cellules est également très différent. Le cytoplasme d’une cellule eucaryote est rempli d’une grande diversité de structures, comme cela apparaît facilement en examinant une micrographie électronique de presque n’importe quelle cellule végétale ou animale (figure 1.10). Même la levure, l’eucaryote le plus simple, est beaucoup plus complexe structurellement qu’une bactérie moyenne (comparer les figures 1.18a et b), même si ces deux organismes ont un nombre similaire de gènes. Les cellules eucaryotes contiennent un réseau d’organites liés à la membrane. Les organites eucaryotes comprennent les mitochondries, où l’énergie chimique est disponible pour alimenter les activités cellulaires; un réticulum endoplasmique, où beaucoup de protéines et de lipides d’une cellule sont fabriqués; Les complexes de Golgi, où les matériaux sont triés, modifiés et transportés vers des destinations cellulaires spécifiques; et une variété de vésicules liées à la membrane simples de dimension variable. Les cellules végétales contiennent des organites membranaires supplémentaires, y compris des chloroplastes, qui sont les sites de la photosynthèse, et souvent une seule grande vacuole qui peut occuper la majeure partie du volume de la cellule. Pris en tant que groupe, les membranes de la cellule eucaryote servent à diviser le cytoplasme en compartiments dans lesquels des activités spécialisées peuvent avoir lieu. En revanche, le cytoplasme des cellules procaryotes est essentiellement dépourvu de structures membraneuses. Les membranes photosynthétiques complexes des cyanobactéries constituent une exception majeure à cette généralisation (voir Figure 1.15).

Les membranes cytoplasmiques des cellules eucaryotes forment un système de canaux et de vésicules interconnectés qui fonctionnent dans le transport des substances d’une partie de la cellule à l’autre, ainsi qu’entre l’intérieur de la cellule et son environnement. En raison de leur petite taille, la communication intracytoplasmique dirigée est moins importante dans les cellules procaryotes, où le mouvement nécessaire des matériaux peut être accompli par simple diffusion.
Les cellules eucaryotes contiennent également de nombreuses structures dépourvues de membrane environnante. Inclus dans ce groupe sont les tubules allongés et les filaments du cytosquelette, qui participent à la contractilité cellulaire, le mouvement et le soutien. On pensait jusqu’à récemment que les cellules procaryotes manquaient de toute trace de cytosquelette, mais des filaments primitifs du cytosquelette ont été trouvés dans les bactéries. Il est encore juste de dire que le cytosquelette procaryote est beaucoup plus simple, à la fois structurellement et fonctionnellement, que celui des eucaryotes. Les cellules eucaryotes et procaryotes possèdent des ribosomes, qui sont des particules non membranaires qui fonctionnent comme des « établis » sur lesquels les protéines de la cellule sont fabriquées. Même si les ribosomes des procaryotes et des eucaryotes
les cellules ont des dimensions très différentes (celles des procaryotes sont plus petites et contiennent moins de composants), ces structures participent à l’assemblage des protéines par un mécanisme similaire dans les deux types de cellules. La figure 1.11 est une micrographie électronique colorisée d’une partie du cytoplasme près du bord mince d’un organisme eucaryote unicellulaire. C’est une région de la cellule où les organites liés à la membrane tendent à être absents.
La micrographie montre des filaments individuels du cytosquelette (rouge) et d’autres grands complexes macromoléculaires du cytoplasme (vert). La plupart de ces complexes sont des ribosomes. Il est évident à partir de ce type d’image que le cytoplasme d’un eucaryote
la cellule est extrêmement encombrée, laissant très peu d’espace pour la phase soluble du cytoplasme, qui s’appelle le cytosol.
D’autres différences majeures entre les cellules eucaryotes et procaryotes peuvent être notées. Les cellules eucaryotes se divisent par un processus complexe de mitose dans lequel les chromosomes dupliqués se condensent en structures compactes qui sont séparées par une structure complexe.
appareil contenant des microtubules (Figure 1.12). Cet appareil, appelé broche mitotique, permet à chaque cellule fille de recevoir une matrice équivalente de matériel génétique. Chez les procaryotes, il n’y a pas de compactage du chromosome et pas de fuseau mitotique. L’ADN est dupliqué, et les deux copies sont séparées avec précision par la croissance d’une membrane cellulaire intermédiaire.
Pour la plupart, les procaryotes sont des organismes non sexuels.
Ils ne contiennent qu’une seule copie de leur unique chromosome et n’ont aucun processus comparable à la méiose, à la formation de gamètes ou à la fécondation véritable. Même si la procréation sexuelle vraie fait défaut chez les procaryotes, certains sont capables de se conjuguer, dans lequel un fragment d’ADN est transmis d’une cellule à l’autre (Figure 1.13). Cependant, le receveur ne reçoit presque jamais un chromosome entier du donneur, et la condition dans laquelle la cellule receveuse contient à la fois son propre ADN et celui de son partenaire est fugace. La cellule revient bientôt à la possession d’un seul chromosome. Bien que les procaryotes ne soient pas aussi efficaces que les eucaryotes pour échanger de l’ADN avec d’autres membres de leur propre espèce, ils sont plus habiles que les eucaryotes à ramasser et incorporer de l’ADN étranger dans leur environnement, ce qui a un impact considérable sur l’évolution microbienne.

Les cellules eucaryotes possèdent une variété de mécanismes locomoteurs complexes, tandis que celles des procaryotes sont relativement simples.
Le mouvement d’une cellule procaryote peut être accompli par un filament protéique mince, appelé flagelle, qui fait saillie sur la cellule et tourne (Figure 1.14a). Les rotations du flagelle, qui peuvent dépasser 1000 fois par seconde, exercent une pression sur le fluide environnant, propulsant la cellule à travers le milieu. Certaines cellules eucaryotes, y compris de nombreux protistes et spermatozoïdes, possèdent également des flagelles, mais les versions eucaryotes sont beaucoup plus complexes que les simples filaments protéiques des bactéries (Figure 1.14b), et elles génèrent des mouvements par un mécanisme différent.
Dans les paragraphes précédents, plusieurs des différences les plus importantes entre les niveaux procaryotes et eucaryotes de l’organisation cellulaire ont été mentionnées. Nous développerons ces points dans les chapitres suivants.
Avant de rejeter les procaryotes comme inférieurs, gardons à l’esprit que ces organismes sont restés sur Terre pendant plus de trois milliards d’années, et en ce moment même, des milliards d’entre eux s’accrochent à la surface extérieure de notre corps et se régalent des nutriments de notre système digestif. tract. Nous pensons à ces organismes en tant que créatures individuelles et solitaires, mais des découvertes récentes ont montré qu’ils vivent dans des communautés complexes et multispécifiques appelées biofilms. La couche de plaque qui pousse sur nos dents est un exemple de biofilm. Différentes cellules dans un biofilm peuvent effectuer différentes activités spécialisées, pas très différentes des cellules d’une plante ou d’un animal.
Considérons aussi que, métaboliquement, les procaryotes sont des organismes très évolués, hautement évolués. Par exemple, une bactérie, comme Escherichia coli, un habitant commun du tube digestif humain et de les récipients de mise en culture en laboratoire, a la capacité de vivre et de prospérer dans un milieu contenant un ou deux composés organiques de faible poids moléculaire et quelques-uns ions inorganiques. D’autres bactéries sont capables de vivre d’un régime constitué uniquement de substances inorganiques. Une espèce de bactérie a été trouvée dans des puits situés à plus de mille mètres sous la surface de la Terre, sur des roches de basalte et de l’hydrogène moléculaire (H2) produit par des réactions inorganiques. En revanche, même les cellules les plus métaboliques de notre corps ont besoin d’une variété de composés organiques, y compris un certain nombre de vitamines et d’autres substances essentielles qu’ils ne peuvent pas fabriquer seuls. En fait, beaucoup de ces ingrédients alimentaires essentiels sont produits par les bactéries qui vivent normalement dans le gros intestin.

Types de cellules procaryotes

La distinction entre les cellules procaryotes et eucaryotes est basée sur la complexité structurelle (comme détaillé dans le tableau 1.1) et non sur la relation phylogénétique. Les procaryotes sont divisés en deux groupes taxonomiques majeurs, ou domaines: les archées (ou archaebactéries) et les bactéries (ou eubactéries). Les membres des Archaea sont plus proches des eucaryotes que de l’autre groupe de procaryotes, les Bactéries). Les expériences qui ont conduit à la découverte que la vie est représentée par trois branches distinctes sont discutées dans les voies expérimentales à la fin du chapitre.
Le domaine Archaea comprend plusieurs groupes d’organismes dont les liens évolutifs les uns avec les autres sont révélés par des similitudes dans les séquences nucléotidiques de leurs acides nucléiques.
Les Archaea les plus connues sont des espèces qui vivent dans des environnements extrêmement inhospitaliers; ils sont souvent appelés «extrémophiles». Parmi les Archaea figurent les méthanogènes [procaryotes capables de convertir les gaz CO2 et H2 en méthane (CH4) gazeux]; les halophiles (procaryotes qui vivent dans des environnements extrêmement salés, tels que la mer Morte ou certains bassins profonds qui possèdent une salinité équivalente à 5 M MgCl2); les acidophiles (procaryotes aimant les acides qui se développent à un pH aussi bas que 0, tel que celui trouvé dans les fluides de drainage des puits de mine abandonnés); et thermophiles (procaryotes qui vivent à des températures très élevées). Inclus dans ce dernier groupe sont hyperthermophiles, qui vivent dans les évents hydrothermaux du fond de l’océan. Le dernier détenteur de ce groupe a été nommé «souche 121» parce qu’il est capable de croître et de se diviser dans de l’eau surchauffée à une température de 121 ° C, température qui sert à stériliser les instruments chirurgicaux dans un autoclave.
Tous les autres procaryotes sont classés dans le domaine des bactéries.
Ce domaine comprend les plus petites cellules connues, les mycoplasmes (0,2 m de diamètre), qui sont les seuls procaryotes connus à manquer de paroi cellulaire et à contenir un génome avec aussi peu que 500 gènes. Les bactéries sont présentes dans tous les habitats imaginables sur Terre, de la plate-forme de glace permanente de l’Antarctique aux déserts africains les plus secs, en passant par les limites internes des plantes et des animaux. Des bactéries ont même été trouvées vivant dans des couches de roches situées à plusieurs kilomètres sous la surface de la Terre. On pense que certaines de ces communautés bactériennes ont été coupées de la vie à la surface pendant plus de cent millions d’années. Les procaryotes les plus complexes sont les cyanobactéries. Les cyanobactéries contiennent des réseaux complexes de membranes cytoplasmiques, qui servent de sites de photosynthèse (figure 1.15a). Les membranes des cyanobactéries sont très similaires aux membranes photosynthétiques présentes dans les chloroplastes des cellules végétales. Comme dans les plantes eucaryotes, la photosynthèse des cyanobactéries est réalisée en séparant les molécules d’eau, ce qui libère de l’oxygène moléculaire.

De nombreuses cyanobactéries sont capables non seulement de photosynthèse, mais aussi de fixation de l’azote, la conversion de l’azote (N2) en formes réduites d’azote (ammoniac, NH3) qui peuvent être utilisées par les cellules dans la synthèse de l’azote.
composés organiques, y compris les acides aminés et les nucléotides. Les espèces capables à la fois de photosynthèse et de fixation de l’azote peuvent survivre dans les moindres ressources – lumière, N2, CO2 et H2O. Il n’est donc pas surprenant que les cyanobactéries soient généralement les premiers organismes à coloniser les roches dénudées sans vie par une éruption volcanique brûlante.
Un autre habitat inhabituel occupé par les cyanobactéries est illustré à la figure 1.15b.

Diversité procaryotique

Pour la plupart des microbiologistes, ilsai ne connaissent que les microorganismes qu’ils sont capables de cultiver dans un milieu de culture. Lorsqu’un patient souffrant d’une infection des voies respiratoires ou des voies urinaires voit son médecin, une des premières mesures souvent prises est de cultiver le pathogène. Une fois qu’il a été cultivé, l’organisme peut être identifié et le traitement approprié prescrit. Il s’est avéré relativement facile de cultiver la plupart des procaryotes pathogènes, mais il n’en va pas de même pour ceux vivant en liberté dans la nature. Le problème est aggravé par le fait que les procaryotes sont à peine visibles au microscope optique et que leur morphologie est souvent peu distinctive. À ce jour, environ 6000 espèces de procaryotes ont été identifiées par des techniques traditionnelles, ce qui représente moins d’un dixième de 1% des millions d’espèces procaryotes que l’on pense exister sur Terre! Notre appréciation de la diversité des communautés procaryotes a considérablement augmenté ces dernières années avec l’utilisation de techniques moléculaires qui n’exigent pas l’isolement d’un organisme particulier.

Supposons que l’on veuille en savoir plus sur la diversité des procaryotes qui vivent dans les couches supérieures de l’océan Pacifique au large de la Californie. Plutôt que d’essayer de cultiver de tels organismes, ce qui serait en grande partie futile, un chercheur pourrait concentrer les cellules à partir d’un échantillon d’eau de mer, extraire l’ADN et analyser certaines séquences d’ADN présentes dans la préparation. Tous les organismes partagent certains gènes, tels que ceux qui codent pour les ARN présents dans les ribosomes ou les enzymes de certaines voies métaboliques. Même si tous les organismes peuvent partager de tels gènes, les séquences des nucléotides qui composent les gènes varient considérablement d’une espèce à l’autre. C’est la base de l’évolution biologique. En utilisant des techniques qui révèlent la variété de séquences d’ADN d’un gène particulier dans un habitat particulier, on apprend directement des informations sur la diversité des espèces qui vivent dans cet habitat. Les techniques de séquençage récentes sont devenues si rapides et rentables que pratiquement tous les gènes présents dans les microbes d’un habitat donné peuvent être séquencés, générant un génome collectif, ou métagénome. Cette approche peut fournir des informations sur les types de protéines que ces organismes fabriquent et donc sur de nombreuses activités métaboliques dans lesquelles ils s’engagent.

Ces mêmes stratégies moléculaires sont utilisées pour explorer la remarquable diversité des «passagers invisibles» qui vivent sur ou dans notre propre corps, dans des habitats tels que le tractus intestinal, la bouche, le vagin et la peau. Cette collection de microbes, connue sous le nom de microbiome humain, fait l’objet de plusieurs recherches internationales visant à identifier et à caractériser ces organismes chez des personnes d’âge, de régime, de géographie et d’état de santé différents. Il a déjà été démontré, par exemple, que les humains obèses et maigres ont des populations de bactéries nettement différentes dans leurs voies digestives. Comme les personnes obèses perdent du poids, leur profil bactérien se déplace vers celui des individus les plus maigres. Des études sur des souris suggèrent que certaines des espèces bactériennes qui prédominent chez les personnes obèses peuvent libérer plus de calories provenant de la nourriture digérée que leurs homologues dans les voies digestives de la population maigre et ainsi contribuer à la prise de poids.
En utilisant des techniques moléculaires basées sur des séquences, les biologistes ont trouvé que la plupart des habitats sur Terre regorgent de vie procaryote non reconnue auparavant. Une estimation du grand nombre de procaryotes dans les principaux habitats de la Terre est donnée dans le tableau 1.2. Il convient de noter que plus de 90% de ces organismes sont maintenant considérés comme vivant dans les sédiments souterrains, bien au-dessous des océans et des couches supérieures du sol. Il y a seulement une dizaine d’années, on pensait que ces sédiments plus profonds étaient peu peuplés par des organismes vivants.
Le tableau 1.2 fournit également une estimation de la quantité de carbone séquestrée dans les cellules procaryotes du monde. Pour mettre ce nombre en termes plus familiers, il est à peu près comparable à la quantité totale de carbone présente dans l’ensemble de la vie végétale mondiale.

Types de cellules eucaryotes: Spécialisation cellulaire

À bien des égards, les cellules eucaryotes les plus complexes ne se trouvent pas à l’intérieur des plantes ou des animaux, mais plutôt parmi les protistes unicellulaires (unicellulaires), tels que ceux représentés sur la figure 1.16. Toutes les machines nécessaires aux activités complexes dans lesquelles cet organisme s’engage – détecter l’environnement, piéger la nourriture, expulser l’excès de liquide, échapper aux prédateurs – sont logées dans les limites d’une seule cellule.
Les organismes unicellulaires complexes représentent une voie évolutive. Une autre voie a conduit à l’évolution des organismes multicellulaires dans lesquels différentes activités sont menées par différents types de cellules spécialisées. Les cellules spécialisées sont formées par un processus appelé différenciation. Un œuf humain fécondé, par exemple, progressera au cours d’un développement embryonnaire qui aboutira à la formation d’environ 250 types distincts de cellules différenciées. Certaines cellules font partie d’une glande digestive particulière, d’autres font partie d’un gros muscle squelettique, d’autres parties d’un os, etc. (Figure 1.17). La voie de différenciation suivie par chaque cellule embryonnaire dépend principalement des signaux qu’elle reçoit du milieu environnant; ces signaux dépendent à leur tour de la position de cette cellule dans l’embryon. Comme discuté dans la perspective humaine ci-jointe, les chercheurs apprennent à contrôler le processus de différenciation dans la boîte de culture et à appliquer cette connaissance au traitement de maladies humaines complexes.
À la suite de la différenciation, différents types de cellules acquièrent une apparence distinctive et contiennent des matériaux uniques.
Les cellules musculaires squelettiques contiennent un réseau de filaments précisément alignés composés de protéines contractiles uniques; les cellules cartilagineuses sont entourées d’une matrice caractéristique contenant des polysaccharides et le collagène protéique qui, ensemble, fournissent un support mécanique; les globules rouges deviennent des sacs en forme de disque remplis d’une seule protéine, l’hémoglobine, qui transporte l’oxygène; et ainsi de suite. Malgré leurs nombreuses différences, les différentes cellules d’une plante ou d’un animal multicellulaire sont composées d’organites similaires. Les mitochondries, par exemple, se trouvent essentiellement dans tous les types de cellules. Dans un type, cependant, ils peuvent avoir une forme arrondie, tandis que dans un autre ils peuvent être très allongés et ressembler à des fils. Dans chaque cas, le nombre, l’apparence et l’emplacement des divers organites peuvent être corrélés avec les activités du type de cellule particulier. Une analogie peut être faite avec une variété de pièces orchestrales: toutes sont composées des mêmes notes, mais des arrangements différents donnent à chacune son caractère et sa beauté uniques.

Organismes modèles

Les organismes vivants sont très divers et les résultats obtenus à partir d’une analyse expérimentale particulière peuvent dépendre de l’organisme particulier étudié.
En conséquence, les biologistes cellulaires et moléculaires ont concentré leurs activités de recherche sur un petit nombre d’organismes «représentatifs» ou modèles. Il est à espérer qu’un corpus de connaissances complet basé sur ces études fournira un cadre pour comprendre les processus de base qui sont partagés par la plupart des organismes, en particulier les humains. Cela ne veut pas dire que beaucoup d’autres organismes ne sont pas largement utilisés dans l’étude de la biologie cellulaire et moléculaire. Néanmoins, six organismes modèles – un procaryote et cinq eucaryotes – ont retenu une grande partie de l’attention: une bactérie, E. coli; une levure bourgeonnante, Saccharomyces cerevisiae; une plante à fleurs, Arabidopsis thaliana; un nématode, Caenorhabditis elegans; une mouche des fruits, Drosophila melanogaster; et une souris, Mus musculus. Chacun de ces organismes a des avantages spécifiques
ce qui le rend particulièrement utile en tant que sujet de recherche pour répondre à certains types de questions. Chacun de ces organismes est représenté sur la figure 1.18, et quelques-uns de leurs avantages en tant que systèmes de recherche sont décrits dans la légende ci-jointe.
Nous nous concentrerons dans ce texte sur les résultats obtenus à partir d’études sur des systèmes de mammifères – principalement sur la souris et sur des cellules de mammifères en culture – parce que ces résultats sont les plus applicables aux humains. Même ainsi, nous aurons beaucoup d’occasions
décrire les recherches effectuées sur les cellules d’autres espèces. Vous pourriez être surpris de découvrir à quel point vous êtes similaire au niveau cellulaire et moléculaire à ces organismes beaucoup plus petits et plus simples.

Les tailles des cellules et de leurs composants

La figure 1.19 montre la taille relative d’un certain nombre de structures d’intérêt en biologie cellulaire. Deux unités de mesure linéaire sont les plus couramment utilisées pour décrire les structures à l’intérieur d’une cellule: le micromètre ($\mu m$) et le nanomètre (nm). Un $\mu m$ est égal à $10^{-6}$ mètres, et un nm est égal à $10^{-9}$ mètres. L’angström (Å), qui est égal à un dixième de nm, est couramment employé par les biologistes moléculaires pour les dimensions atomiques.
Un angström est à peu près équivalent au diamètre d’un atome d’hydrogène. Les grandes molécules biologiques (c’est-à-dire les macromolécules) sont décrites en angströms ou en nanomètres. La myoglobine, une protéine globulaire typique, est d’environ $4.5 nm \times 3.5 nm \times 2.5 nm$; les protéines très allongées (telles que le collagène ou la myosine) ont une longueur supérieure à 100 nm; et l’ADN a une largeur d’environ 2.0 nm. Les complexes de macromolécules, tels que les ribosomes, les microtubules et les microfilaments, ont un diamètre compris entre 5 et 25 nm. En dépit de leurs dimensions minuscules, ces complexes macromoléculaires constituent des « nanomachines » remarquablement sophistiquées capables d’effectuer une gamme variée d’activités mécaniques, chimiques et électriques.
Les cellules et leurs organelles sont plus facilement définies en micromètres.
Les noyaux, par exemple, ont un diamètre d’environ 5 à 10 $\mu m$ et les mitochondries ont une longueur d’environ 2 $\mu m$.
Les cellules procaryotes ont généralement une longueur d’environ 1 à 5 $\mu m$, les cellules eucaryotes d’environ 10 à 30 $\mu m$. Il y a un certain nombre de raisons pour lesquelles la plupart des cellules sont si petites. Considérons ce qui suit :
• La plupart des cellules eucaryotes possèdent un seul noyau qui ne contient que deux copies de la plupart des gènes. Parce que les gènes servent de modèles pour la production d’ARN messagers porteurs d’informations, une cellule ne peut produire qu’un nombre limité de ces ARN messagers dans un laps de temps donné. Plus le volume cytoplasmique d’une cellule est grand, plus il faudra de temps pour synthétiser le nombre de messages requis par cette cellule.
• À mesure que la taille d’une cellule augmente, le rapport $ \frac{surface}{volume}$ diminue. La capacité d’une cellule à échanger des substances avec son environnement est proportionnelle à sa surface. Si une cellule devait se développer au-delà d’une certaine taille, sa surface ne serait pas suffisante pour absorber les substances (par exemple, l’oxygène, les nutriments) nécessaires pour soutenir ses activités métaboliques. Les cellules spécialisées pour l’absorption des solutés, comme celles de l’épithélium intestinal, possèdent généralement des microvillosités, ce qui augmente considérablement la surface disponible pour l’échange (voir Figure 1.3). L’intérieur d’une grande cellule végétale est généralement constitué d’une grande vacuole remplie de liquide plutôt que d’un cytoplasme métaboliquement actif (voir la figure 8.36b).
• Une cellule dépend dans une large mesure du mouvement aléatoire des molécules (diffusion). L’oxygène, par exemple, doit diffuser à partir de la surface de la cellule à travers le cytoplasme jusqu’à l’intérieur de ses mitochondries. Le temps nécessaire à la diffusion est proportionnel au carré de la distance à parcourir. Par exemple, O2 nécessite seulement 100 microsecondes pour diffuser une distance de 1 $\mu m$, mais nécessite $10^{6}$ fois plus longtemps pour diffuser une distance de 1 mm. À mesure qu’une cellule devient plus grande et que la distance entre la surface et l’intérieur devient plus grande, le temps nécessaire à la diffusion pour déplacer des substances dans et hors d’une cellule métaboliquement active devient prohibitif.

La biologie de synthèse

Un objectif d’un domaine de la recherche biologique, souvent appelé biologie synthétique, est de créer une cellule vivante dans le laboratoire, essentiellement à partir de «zéro». Une motivation de ces chercheurs est simplement d’accomplir l’exploit et, dans le processus, démontrer que la vie au niveau cellulaire émerge spontanément lorsque les constituants appropriés sont rassemblés à partir de matériaux chimiquement synthétisés. À l’heure actuelle, les biologistes sont loin d’accomplir cet exploit, et de nombreux membres de la société affirment que cela ne devrait jamais avoir lieu. Un objectif plus modeste de la biologie synthétique est de développer de nouvelles formes de vie, en commençant par les organismes existants, qui ont une valeur unique dans la médecine et l’industrie, ou dans le nettoyage de l’environnement.
Il pourrait être possible, par exemple, de «personnaliser» une espèce de bactérie qui pourrait convertir la cellulose, le constituant des parois cellulaires végétales, en un biocarburant tel que les hydrocarbures présents dans l’essence. Si, comme le diraient la plupart des biologistes, les propriétés et les activités d’une cellule découlent du plan génétique de cette cellule, il devrait être possible de créer un nouveau type de cellule en introduisant un nouveau schéma génétique dans le cytoplasme d’une cellule existante. La faisabilité de réaliser ce type d’exploit a été démontrée en 2007 lorsque le génome d’une bactérie a été remplacé par celui du génome d’une espèce étroitement apparentée, transformant efficacement une espèce en une autre.
En 2008, une autre réalisation importante dans le domaine de la biologie synthétique a été rapportée avec la synthèse chimique du génome complet de la bactérie Mycoplasma genitalium. Le génome de cette bactérie, le plus petit des organismes pouvant être cultivés en laboratoire, consiste en une molécule d’ADN circulaire d’environ 580 000 paires de bases de longueur, contenant environ 500 gènes. Pour accomplir cet exploit, les chercheurs ont commencé par la synthèse chimique de petits segments d’ADN d’environ 100 bases de longueur, ce qui est à peu près le maximum autorisé avec les techniques actuelles. La séquence de base de chacun de ces petits segments a été précisément déterminée par les chercheurs pour correspondre à celle de la séquence naturelle, avec quelques modifications intentionnelles. Les petits segments synthétiques ont ensuite été assemblés en plus grands fragments d’ADN, qui ont finalement été cousus ensemble pour créer le génome bactérien complet. Au moment de la rédaction de ce document, ce génome synthétique n’a pas été introduit dans une cellule bactérienne vivante, mais ce n’est pas une barrière majeure compte tenu de l’expérience de remplacement du génome décrite ci-dessus. Une fois ceci accompli, l’équipe de recherche aura produit des cellules contenant un «squelette génétique» auquel elles pourront ajouter de nouveaux gènes prélevés sur d’autres organismes.
En fin de compte, cette ligne de recherche porte en elle la perspective de créer de nouvelles formes de vie possédant des propriétés nouvelles.

La perspective de la thérapie de remplacement cellulaire
Pour une personne dont le cœur ou le foie est défaillant, une greffe d’organe est le meilleur espoir de survie et de retour à une vie normale. La transplantation d’organes est l’un des grands succès de la médecine moderne, mais sa portée est grandement limitée par la disponibilité des organes du donneur et le risque élevé de rejet immunologique. Imaginez les possibilités si nous pouvions cultiver des cellules et des organes dans le laboratoire et les utiliser pour remplacer les parties endommagées ou non fonctionnelles dans notre corps.
Pour mieux comprendre le concept de thérapie cellulaire de remplacement, nous pouvons envisager une procédure actuelle connue sous le nom de greffe de moelle osseuse dans laquelle les cellules sont extraites de l’intérieur des os pelviens d’un donneur et infusés dans le corps d’un receveur.
La greffe de moelle osseuse est utilisée le plus souvent pour traiter les lymphomes et les leucémies, qui sont des cancers qui affectent la nature et le nombre de globules blancs. Pour mener à bien la procédure, le patient est exposé à un niveau élevé de rayonnement et / ou de produits chimiques toxiques, ce qui tue les cellules cancéreuses, mais tue également toutes les cellules impliquées dans le processus de formation de globules rouges et blancs. Ce traitement a cet effet parce que les cellules hématopoïétiques sont particulièrement sensibles aux radiations et aux produits chimiques toxiques. Une fois que les cellules hématopoïétiques d’une personne ont été détruites, elles sont remplacées par des cellules de moelle osseuse transplantées d’un donneur sain. La moelle osseuse peut régénérer le tissu sanguin du receveur parce qu’il contient un faible pourcentage de cellules capables de proliférer et de réapprovisionner le tissu de moelle osseuse hématopoïétique du patient. Ces cellules hématopoïétiques dans la moelle osseuse sont appelées cellules souches hématopoïétiques (ou CSH), et elles sont normalement responsables du remplacement des millions de globules rouges et blancs qui vieillissent et meurent chaque minute dans notre corps (voir Figure 17.6). Étonnamment, un seul CSH est capable de reconstituer l’ensemble du système hématopoïétique (hématopoïétique) d’une souris irradiée. Un nombre croissant de parents sauvent le sang du cordon ombilical de leur nouveau-né comme une sorte de «police d’assurance contre les cellules souches» au cas où l’enfant développerait une maladie qui pourrait être traitée par l’administration de CSH.Les cellules souches sont définies comme des cellules indifférenciées (1) capables de s’auto-renouveler, c’est-à-dire produisant davantage de cellules comme elles-mêmes, et (2) multipotentes, c’est-à-dire capables de se différencier en deux ou plusieurs types de cellules matures. Les CSH de la moelle osseuse ne sont qu’un type de cellule souche. La plupart, sinon la totalité, des organes d’un adulte humain contiennent des cellules souches capables de remplacer les cellules particulières du tissu dans lequel elles se trouvent. Même le cerveau adulte, qui n’est pas connu pour sa capacité de régénération, contient des cellules souches qui peuvent générer de nouveaux neurones et cellules gliales (les cellules de soutien du cerveau). La figure la montre une cellule souche isolée présente dans le muscle squelettique adulte; ces «cellules satellites», comme on les appelle, sont supposées se diviser et se différencier selon les besoins pour la réparation du tissu musculaire lésé. La figure 1b montre une culture de cellules adipeuses (lipidiques) qui se sont différenciées in vitro à partir de cellules souches adultes présentes dans les tissus adipeux.
Une série intéressante d’études a récemment été réalisée sur une souche de « golden retrievers » qui souffrent d’une maladie héréditaire très similaire à la dystrophie musculaire du muscle squelettique humain.
Les chercheurs ont isolé des cellules souches provenant des muscles de ces chiens, corrigé le trouble génétique dans les cellules isolées, et ont augmenté le nombre de cellules génétiquement modifiées avec lesquelles ils doivent travailler en les cultivant en culture. Lorsque ces cellules souches sont réinjectées dans les animaux malades, beaucoup d’entre eux retournent à un muscle squelettique où ils prennent leur résidence. Une fois de retour dans le tissu musculaire, les cellules satellites corrigées se divisent et se différencient en nouvelles cellules musculaires et, ce faisant, contribuent à une nette amélioration de la mobilité et de la démarche des animaux malades. Les chercheurs pensent avec beaucoup d’optimisme que des types d’approches thérapeutiques similaires pourraient être utilisés pour les humains.
Le cœur humain, par exemple, contient des cellules souches cardiaques capables de se différencier en cellules qui forment à la fois le tissu musculaire du cœur (les cardiomyocytes du myocarde) et les vaisseaux sanguins du cœur.
Ces cellules souches pourraient avoir le potentiel de régénérer le tissu cardiaque sain chez un patient qui a subi une crise cardiaque grave ou qui souffre d’une insuffisance cardiaque congestive. Les cellules souches adultes sont un système idéal pour les thérapies de remplacement cellulaire, car elles peuvent être isolées directement du patient, cultivées en culture et réintroduites chez le même patient.Bien que les cellules souches adultes puissent finalement s’avérer être une ressource inestimable dans la thérapie de remplacement cellulaire, les études cliniques réalisées à ce jour ont été décevantes. Une grande partie de l’excitation qui a été générée sur le terrain au cours de la dernière décennie provient d’études sur des cellules souches embryonnaires (ES), qui sont un type de cellules souches isolées sur de très jeunes embryons de mammifères (voir Figure 2). Ce sont les cellules de l’embryon précoce qui donnent naissance à toutes les différentes structures du fœtus mammifère. Contrairement aux cellules souches adultes, les cellules ES sont pluripotentes; c’est-à-dire qu’elles sont capables de se différencier en tout type de cellule dans le corps. Dans la plupart des cas, des cellules ES humaines ont été isolées à partir d’embryons fournis par des cliniques de fécondation in vitro. Dans le monde entier, des douzaines de lignées de cellules ES humaines génétiquement distinctes, dérivées chacune d’un seul embryon, sont disponibles pour une investigation expérimentale.
L’objectif à long terme des chercheurs cliniques est d’apprendre à inciter les cellules SE à se différencier en culture dans chacun des nombreux types de cellules qui pourraient être utilisés pour la thérapie de remplacement cellulaire. Des progrès considérables ont été réalisés dans cette recherche, et de nombreuses études ont montré que des greffes de cellules dérivées de cellules ES différenciées peuvent améliorer l’état des animaux ayant des organes malades ou endommagés. Les premiers essais chez l’homme sont susceptibles d’utiliser des cellules, appelées oligodendrocytes, qui produisent les gaines de myéline qui s’enroulent autour des cellules nerveuses (voir Figure 4.5).
On a trouvé, par essais et erreurs, que des colonies pures d’oligodendrocytes se différencieraient des cellules ES humaines qui ont été cultivées dans un milieu contenant de l’insuline, de l’hormone thyroïdienne et une combinaison de certains facteurs de croissance. Lorsque les implants de ces oligodendrocytes humains ont été transplantés chez des rats présentant des lésions de la moelle épinière paralysantes, les animaux ont retrouvé une mobilité considérable. En 2009, la FDA a approuvé les premiers essais cliniques dans lesquels ces oligodendrocytes dérivés d’ES seraient implantés chez des patients ayant subi des lésions récentes de la moelle épinière. Des essais cliniques sont également prévus pour le traitement du diabète de type 1 et de la dégénérescence maculaire de la maladie oculaire.
Le principal risque associé à ce type de procédure est la présence non détectée de cellules ES indifférenciées parmi la population cellulaire différenciée. Les cellules ES indifférenciées sont capables de former un type de tumeur bénigne, appelée tératome, qui peut contenir une masse bizarre de divers tissus différenciés, y compris les cheveux et les dents. La formation d’un tératome dans le système nerveux central pourrait avoir de graves conséquences. En outre, la culture des cellules ES à l’heure actuelle implique l’utilisation de matériels biologiques non humains, ce qui pose également des risques potentiels de provoquer des maladies.
Bien que les cellules souches adultes ne possèdent pas la capacité de différenciation illimitée caractéristique des cellules ES, elles ont un avantage sur les cellules ES en ce sens qu’elles peuvent être isolées de l’individu traité et, par conséquent, ne seront pas rejetées immunologiquement lorsqu’elles sont utilisées remplacement cellulaire. Cependant, il peut être possible de « personnaliser » les cellules ES de sorte qu’elles possèdent la même composition génétique de l’individu qui est traité, et ne soient donc pas sujettes à une attaque par le système immunitaire du receveur. Cela peut probablement être accompli par une procédure détournée appelée transfert nucléaire de cellules somatiques (SCNT), représentée sur la figure 2, qui commence par un ovule non fécondé – une cellule qui est obtenue à partir des ovaires d’une donneuse non apparentée.
Dans cette approche, le noyau de l’œuf non fécondé serait remplacé par le noyau d’une cellule du patient à traiter, ce qui aurait pour effet que l’œuf ait la même composition chromosomique que celle du patient. L’œuf serait alors autorisé à se développer jusqu’à un stade embryonnaire précoce, et les cellules ES seraient enlevées, cultivées et induites pour se différencier en le type de cellules nécessaires au patient.
Parce que cette procédure implique la formation d’un embryon humain qui est utilisé uniquement comme une source de cellules ES, il y a des questions éthiques importantes qui doivent être réglées avant de pouvoir être pratiqué de façon routinière.
En outre, le processus de SCNT est si coûteux et techniquement exigeant qu’il est hautement improbable qu’il puisse jamais être pratiqué dans le cadre de tout traitement médical de routine. Il est plus probable que, si une thérapie à base de cellules ES est pratiquée, cela dépendrait de l’utilisation d’une banque de centaines ou de milliers de cellules ES différentes. Une telle banque pourrait contenir des cellules qui sont assez proches comme une correspondance de tissu pour être utilisables chez la majorité des patients.Tous ces éléments posent des questions très préoccupantes de bio-éthique.