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C'est seulement avec l'invention du microscope au 17e siècle que l'homme a découvert le monde jusqu'alors inconnu des cellules et des micro-organismes. En 1665, l'Anglais Robert Hooke (1635-1703) examina des bouchons en liège à l'aide d'un simple verre grossissant et il constata que les plantes sont constituées de minuscules unités qui ressemblent dans leur assemblage aux alvéoles d'une ruche.
L'Anglais Edward Jenner (1749-1823) constata que les paysans qui avaient été infectés par le virus de la variole bovine étaient protégés contre la variole humaine, qui peut être mortelle. En 1796, il fit l'expérience suivante: il isola une partie du tissu d'une pustule chez une petite fille qui avait attrapé le virus en trayant une vache et le transmit à un garçon sain. Six semaines plus tard, il infecta le garçon avec le virus de la variole humaine. Le garçon resta en bonne santé. Jenner réussissait ainsi la première vaccination sur l'être humain.
Les animaux et les plantes subissent des changements avec le temps. De nouvelles espèces apparaissent. En 1858, l'Anglais Charles Robert Darwin (1809-1882) développa une théorie sur les raisons de ces changements que l'on nomme la théorie de l'évolution: pour remporter la lutte pour l'espace et la nourriture, les êtres vivants doivent s'adapter continuellement aux conditions changeantes de l'environnement. Ce combat est gagné par les êtres qui possèdent des caractéristiques plus avantageuses par rapport aux autres (par exemple, une plante qui produit plus de graines et se propage ainsi mieux que d'autres).
Le chimiste et physicien français Louis Pasteur (1822-1895) a été le premier à démontrer en 1864 que les micro-organismes sont tués par la chaleur et qu'une solution nutritive traitée de cette manière ne peut produire de nouveaux micro-organismes. Il prouva ainsi que la vie ne peut se développer spontanément, mais qu'elle peut uniquement le faire à partir de matière vivante déjà existante. Pasteur montra également qu'on doit aux micro-organismes certaines réactions chimiques dans la nature: des bactéries, par exemple, rendent le lait acide et les cellules de levure changent le jus de raisin en vin. Pasteur a créé une nouvelle branche scientifique: la microbiologie, qui est la recherche sur les organismes minuscules. La méthode dite de «pasteurisation» (tuer les micro-organismes par une chaleur élevée), qu'on utilise encore de nos jours, est un des résultats de ses recherches.
Lors de ses essais de croisement sur les petits pois dans le couvent de Brünn (aujourd'hui en Tchéquie), le moine Augustin Johann Gregor Mendel (1822-1884) a découvert les lois de l'hérédité. Mendel observa certaines caractéristiques des pois (p.ex. la couleur ou l'apparence de la peau) et formula les règles d'après lesquelles elles sont transmises des plantes mères aux descendants. Il en conclut que chaque caractéristique extérieure d'une plante correspond à un «élément» (appelé aujourd'hui gène) à l'intérieur de ses cellules et qu'il devait y en avoir au moins deux exemplaires par «élément». Mendel pensa à juste titre qu'un «élément» vient de la plante «père» et l'autre de la plante «mère». Ses travaux étaient très mathématiques et c'est peut-être la raison pour laquelle ils ont longtemps été laissés dans l'oubli.
Un des objectifs du chimiste bâlois Friedrich Miescher (1844-1895) était d'étudier la structure des cellules. En 1871, il réussit à prouver l'existence d'une substance jusqu'alors inconnue parmi les autres composantes des globules blancs du sang - eau, sucres et graisses. Comme cette substance a son origine dans le noyau cellulaire (lat. nucleus), il l'appela «nucléine» (aujourd'hui ADN). Mais il s'écoula plusieurs décennies jusqu'à ce qu'on découvre que cette «nucléine» était composée de gènes reliés un par un.
Déjà en 1878, des chercheurs découvrirent, à l'aide de microscopes plus performants, certaines structures dans les noyaux cellulaires qui se laissaient colorer. Ce matériel coloré fut plus tard nommé «chromosomes» (grec. corps colorés). L'Allemand Walther Flemming (1843-1905) fut le premier biologiste à examiner de façon systématique le comportement des chromosomes dans le noyau pendant la division cellulaire. Flemming observa que les chromosomes étaient partagés en deux pendant la division cellulaire, que ces moitiés étaient ensuite entraînées dans des directions opposées, reparties dans les deux cellules-filles et que les cellules-filles fabriquaient finalement une copie de ces moitiés de chromosomes. Ainsi, les cellules-filles possèdent les mêmes chromosomes que leur cellule-mère. Flemming publia les résultats de ses recherches en 1882, mais ce n'est qu'à peu près 20 ans plus tard qu'on les associa aux lois de l'hérédité de Mendel.
Au début du 20e siècle, le Hollandais Hugo De Vries (1848-1935), l'Allemand Carl Erich Correns (1864-1933) et l'Autrichien Erich von Tschermark (1871-1962) ont redécouvert chacun de leur côté les résultats des recherches de Mendel. Les trois scientifiques firent également des expériences de croisement avec diverses plantes et ils arrivèrent au même résultat que l'Augustin des années auparavant: la transmission des caractéristiques fonctionne selon des règles bien définies et ces caractéristiques se trouvent écrites quelque part à l'intérieur des êtres.
L'Allemand Theodor Boveri (1862-1915) et l'Américain Walter Stanborough Sutton (1877-1916) découvrirent en 1902 qu'il y a toujours deux chromosomes de même apparence dans un noyau cellulaire. Les deux chercheurs y virent un lien avec la théorie de Mendel. La théorie dit que lors de la transmission de caractéristiques, «l'élément» (aujourd'hui appelé gène) qui correspond à une caractéristique extérieure visible est toujours transmis en deux exemplaires par les parents à la génération suivante. Un «élément» provient du père, l'autre de la mère.
Le biologiste danois Wilhelm Johannsen (1857-1927) trouva à travers ses travaux sur les haricots que les changements chez un être vivant peuvent avoir deux origines différentes: ils sont provoqués soit par des facteurs héréditaires soit par l'environnement. Comme Mendel, il conclut également que toutes les caractéristiques transmises sont déterminées par certains «éléments» à l'intérieur de la cellule. En 1909, Johannsen les baptisa «gènes».
Les expériences sur la mouche du vinaigre de l'Américain Thomas Hunt Morgan (1866-1945) apportèrent plus de lumière sur le rapport entre les structures dans le noyau cellulaire (chromosomes) et la transmission de caractéristiques isolées (gènes). Il découvrit en 1910 que le nombre des gènes était beaucoup plus élevé que celui des chromosomes et il en conclut que les chromosomes étaient les supports des gènes. Il arriva à deux autres conclusions: plusieurs gènes sont réunis sur un chromosome et les gènes sont alignés sur les chromosomes dans un ordre particulier.
En 1930, les deux scientifiques américains George Wells Beadle (1909-1989) et Edward Lawrie Tatum (1909-1975) se sont aperçus qu'un gène contient l'information pour la synthèse d'une protéine. Autrement dit: les gènes sont les plans de construction des protéines. Environ dix ans plus tard, ils réussirent à prouver leur théorie par la voie expérimentale. Beadle et Tatum démontrèrent en 1941 que la modification d'un seul des gènes d'une moisissure aura pour conséquence la modification d'une de ses caractéristiques. La modification du gène eut pour résultat que le champignon ne put se reproduire correctement.
On a longtemps cru que la substance chimique qui constitue les gènes étaient les protéines. Ce n'est qu'en 1944 que le Canadien Oswald Theodore Avery (1877-1955) démontra avec la collaboration de ses assistants Colin M. MacLeod et Maclyn McCarty, grâce à leurs expériences sur les bactéries, que la «nucléine» découverte par Friedrich Miescher, était composée d'acide désoxyribonucléique (ADN).
Depuis qu'Avery avait découvert que les gènes sont composés d'ADN, les scientifiques cherchaient sa structure spatiale. L'Américain James Dewey Watson (1928-) et l'Anglais Francis Harry Compton Crick (1916-) réussirent à élucider cette question en 1953: les quatre composants - l'adénine, la thymine, la cytosine et la guanine (A, T, C, G), sont alignés sur deux cordons qui tournent autour de leur axe. Les liens transversaux de ces deux cordons sont établis par la formation de paires: A et T, G et C. En bref, l'ADN ressemble à un escalier en colimaçon. Dès lors, les scientifiques parlèrent de la «double hélice d'ADN». C'est seulement quarante ans plus tard que des microscopes plus performants arriveront à livrer la preuve visible du modèle élaboré par Watson et Crick.
En collaboration avec le physicien George Gamov (1904-1968), Francis Harry Compton Crick élabora en 1957 le «dogme central» de la biologie moléculaire qui décrit le flux de l'information génétique dans une cellule: l'information génétique «coule» d'un gène (ADN) vers la protéine par le biais d'une copie du gène (ARN). L'ordre des composants génétiques (A, C, G, T) détermine par conséquent l'ordre des composantes protéiques (acides aminés).
Comment l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine est-elle conservée? Ou posons la question de manière différente: comment la traduction du code des gènes (A,C,G,T) en code des protéines (20 différents acides aminés) est-elle faite? La réponse fut trouvée en 1966 par les chercheurs américains Marshall Warren Nirenberg (1927-2010) et Robert William Holley (1922-1993), ainsi que par Har Gobind Khorana (1922-2011), biochimiste pakistanais. Une séquence de trois composants consécutifs définit à chaque fois un acide aminé dans la protéine. Cette clé de déchiffrage est appelée «code génétique». Elle est identique chez tous les êtres vivants. C'est pour cela qu'on appelle le code génétique un code universel.
Le microbiologiste suisse Werner Arber découvre que certaines bactéries sont capables de morceler de l'ADN étranger (par exemple introduit par un virus) et que des enzymes spécifiques sont responsables de ce processus. Le biologiste moléculaire américain Hamilton O. Smith confirme la découverte d'Arber par ses propres expériences. Ces enzymes de restriction cherchent une suite spécifique de lettres sur la molécule d'ADN et effectuent une coupure à cet endroit. Il existe beaucoup d'enzymes de restriction différentes. Chacune possède son propre point de dissection. La découverte des «ciseaux à ADN» en 1970 forme la base du génie génétique.
L'Américain Paul Berg utilise des enzymes de restriction (ciseaux à ADN) et des ligases (colles à ADN) de manière ciblée pour relier des morceaux d'ADN d'origines différentes en laboratoire, à savoir fabriquer de l'ADN recombinant pour la première fois dans l'histoire. En 1972, il réussit à combiner l'ADN d'une bactérie avec l'ADN d'un virus.
En 1973, les deux Américains Stanley Cohen et Herbert Boyer produisent le premier organisme génétiquement modifié en laboratoire: ils isolent un plasmide muni d'un gène de résistance de la bactérie Escherichia coli contre un antibiotique (tétracycline) et y introduisent un deuxième gène de résistance (contre l'antibiotique canamycine). Le transfert du plasmide recombinant sur la bactérie Escherichia coli la rend résistante contre les deux antibiotiques tétracycline et canamycine.
Walter Gilbert (USA) et Frederick Sanger (UK) développent indépendamment deux méthodes qui permettent de trouver l'ordre des éléments A, C, G et T sur un simple brin d'ADN (lecture de l'ADN = séquençage). Regarde sous «méthodes» dans le chapitre «Le génie génétique» pour comprendre le fonctionnement de la méthode de Sanger encore utilisée de nos jours.
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