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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Comment l’ADN réagit à une contrainte mécanique ?

Comment l’ADN est-il manipulé par les enzymes dans les organismes vivants ? Pour répondre à cette question, une équipe de chercheurs de la VU Amsterdam, de l’institut Niels Bohr de Copenhague et du Laboratoire de Nanobiophysique au sein de l’unité Gulliver (CNRS / ESPCI) a isolé une molécule d’ADN pour la soumettre à une contrainte mécanique (étirement) et regarder les conséquences de cette contrainte sur la structure de l’ADN. Les résultats ont permis aux chercheurs de proposer un modèle qui décrit avec précision la stabilité mécanique de l’ADN. Ils montrent que lorsque la contrainte augmente, les deux brins de la double hélice se rallongent, puis se débobinent pour enfin se séparer. L’équipe internationale de chercheurs a publié ce résultat dans la revue Nature Physics.

 

Les activités de recherche du Laboratoire de Nanobiophysique, dirigé par Ulrich Bockelmann, portent sur les propriétés physiques des acides nucléiques ADN (acide désoxyribonucléique) et ARN(acide ribonucléique), sur les principes physiques de l'activité des protéines qui manipulent les acides nucléiques et sur de nouvelles approches pour extraire l'information génétique de l'ADN.

L’ADN est une longue molécule qui se présente sous la forme d’une double hélice. L’information génétique est confinée entre deux brins entrelacés, codée par une séquence de paires de base (adénine, thymine, guanine, cytosine) qui relient les deux brins entre eux. Il est nécessaire de garder les deux brins ensembles pour protéger cette information génétique mais il est indispensable de les dérouler et les séparer pour lire et copier cette information. Nous savons qu’augmenter la température au delà de 70°C peut induire cette séparation des brins. Cependant, les protéines impliquées dans la lecture et la copie de l’ADN ne génèrent pas de chaleur.  Pour mieux comprendre le fonctionnement de ces protéines et les forces mises en jeu au cours de la séparation des brins qu’elles sont amenées à réaliser, les chercheurs viennent d’obtenir une description quantitative de la stabilité de la double hélice en réalisant des mesures de force sur une molécule d’ADN isolée.

En utilisant  la technique des pinces optiques(*) qui permet par exemple d’étirer des objets de taille moléculaire, les chercheurs ont démontré qu’ils pouvaient dérouler les deux brins d’ADN lorsqu’ils tiraient assez fort sur la molécule. Ils ont observé un comportement étonnamment complexe : ce déroulement de l’ADN progresse par sauts et le signal de force mesuré  est une signature à grande échelle de la séquence de l'ADN. Les résultats expérimentaux ont permis aux chercheurs de proposer un modèle qui décrit avec précision la stabilité mécanique de l’ADN. Ce modèle qui prend en compte les propriétés élastiques de l’ADN inclut également sa forme hélicoïdale,  facteur crucial dans le comportement mécanique. Ce modèle inclut également pour la première fois le fait que lorsque la molécule d’ADN subit une force d’étirement, elle commence d’abord par s’enrouler un peu plus sur elle-même avant de se dérouler au fur et à mesure que la force augmente.

Cette étude quantitative apporte une compréhension approfondie de l'élasticité et de la stabilité mécanique de l'ADN. Elle montre que les mesures de force sont un outil puissant pour des études de réarrangements structuraux associés à l'activité de protéines.

 

(*)Les pinces optiques sont des outils qui utilisent des faisceaux laser pour maintenir et déplacer physiquement des objets diélectriques (qui ne conduisent pas le courant électrique) comme des billes de plastique ou des cellules biologiques.

 

ub_fig1

Vue d’artiste du déroulement de l’ADN par force : faisceau laser d’une pince optique (rouge) et bille de plastique tenue par la pince à laquelle l’ADN est attachée (blanc). La séparation des deux brins est visible au premier plan.

© Philip Hahn

 

ub_fig2

Haut : schéma de l’expérience. Les deux faisceaux laser des pinces optiques sont représentés en rouge. Les deux billes en plastique sont tenues par ces faisceaux. Un morceau d’ADN est attaché aux billes et l’ADN est partiellement déroulé (gauche) et reste partiellement sous forme de double brin (droite).

Milieu : image de fluorescence où les billes peuvent être aperçues à gauche et à droite, et où la partie déroulée de l’ADN (les deux tiers de gauche) a été rendue visible par un chromophore spécifique.

Bas : courbe de force-extension de l’ADN. Dans la partie I (rouge), la déviation par rapport au modèle ancien de l’élasticité de l’ADN (courbe grise) est nette. Dans la partie II (verte), l’ouverture par sauts de l’ADN est visible avec une structure qui est une « signature » à grande échelle de la séquence de l’ADN.

© Peter Gross, Gijs Wuite, Erwin Peterman

 

Référence

Peter Gross, Niels Laurens, Lenne Oddershede, Ulrich Bockelmann, Erwin Peterman and Guijs Wuite
Quantifying how DNA stretches, melts and changes twist under tension
Nature Physics 22 mai 2011, doi:10.1038/nphys2002.

 

Contact chercheur 

Ulrich Bockelmann, Laboratoire de Nanobiophysique (Paris).

Courriel : ulrich.bockelmann@espci.fr

Tél : 01 40 79 47 61

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

1 juillet 2011

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