L'ADN, ressort moléculaire

Depuis les travaux de Francis Crick et de James Watson, en 1953, la molécule d'ADN est représentée sous la forme d'une double hélice, enroulée autour d'un axe rectiligne. Cependant la conformation de l'ADN n'est pas invariable : les modifications de l'environnement chimique de la molécule commandent des repliements moléculaires importants pour la réplication et la transcription.
Les protéines, autres polymères biologiques, perdent leurs propriétés quand elles sont dénaturées, c'est-à-dire déroulées par échauffement ou par un cisaillement. De même, les propriétés de l'ADN sont déterminées à la fois par sa composition chimique (l'enchaînement de ses sous-unités, nommées nucléotide) et par sa conformation dans l'espace. L'étude de la relation entre la composition et la flexibilité imposait la détermination des propriétés élastiques de l'ADN, mais celles-ci n'étaient connues que par des techniques indirectes, dont les résultats expérimentaux étaient interprétés sur la base de nombreuses hypothèses. C. Bustamante et ses collègues L. Finzi et S. Smith, de l'Université de l'Oregon, obtiennent des résultats directs en étirant une molécule d'ADN et en mesurant son élasticité.
Pour cette mesure, ils attachent une extrémité d'un brin d'ADN à la surface d'une lame de microscope, et lient l'autre extrémité à une petite bille magnétique. À l'aide d'un champ magnétique, ils attirent la bille, règlent ainsi la tension exercée sur la molécule et mesurent son allongement au microscope. Connaissant la force de traction et l'allongement, ils calculent l'élasticité de l'ADN.
Comment fixer sur des molécules des objets énormes à l'échelle moléculaire (les billes magnétiques) ? Les biochimistes de l'Oregon ont préalablement recouvert des billes magnétiques de streptavidine, une protéine composée de quatre sous-unités identiques, qui présentent chacune un site de fixation des molécules de biotine (une protéine) ; puis ils ont greffé la biotine (une protéine) ; puis ils ont greffé la biotine à l'une des extrémités de la chaîne d'ADN : la liaison de la biotine à la streptavidine a entraîné celle de la bille magnétique à l'ADN.
Un tel procédé est déjà utilisé pour l'extraction d'ADN en solution, mais il fallait éviter que les deux extrémités de l'ADN ne s'attachent à la sphère. Aussi ont-ils fixé l'ADN sur la lame de verre par un autre couple que la streptavidine et la biotine, en l'occurrence la digoxygénine et l'antidigoxygénine. La différence de nature chimique des deux extrémités des chaînes d'ADN utilisées pour ces expériences permettait que la biotine ne se lie qu'à une extrémité, et la digoxygénine à l'autre.
L'ADN étant lié au verre, les biochimistes ont tiré sur la « poignée magnétique » en plaçant la lame de verre dans un écoulement d'eau, l'ensemble du système étant placé dans un champ magnétique. Les billes se comportaient comme des bouées reliées à un filin. Au microscope optique, les biochimistes mesuraient la position de billes en fonction des forces exercées, ce qui a permis le calcul de la raideur du « ressort génétique ».
C. Bustamante et ses collègues ont interprété les résultats en utilisant des théories qui décrivent l'élasticité des polymères flexibles. Dans le modèle le plus simple, l'élasticité d'une polymère dépend de sa « longueur de persistance » : cette longueur des segments indépendants de la chaîne est déterminée par la nature chimique du polymère. Les propriétés physiques des molécules d'ADN sont plus complexes que celles des polymères industrielles, où tous les maillons sont identiques ; dans l'ADN, la présence de certaines séquences de paires de bases courbe l'axe de la molécule, et l'interaction de l'ADN avec d'autres molécules peut modifier sa conformation. Notamment les biochimistes ont montré que la longueur de persistance augmente quand on diminue la quantité d'ions dans le milieu. De même, un traitement de l'ADN par une molécule qui courbe l'axe de la molécule (il faut fournir de l'énergie pour redresser les coudes).
Depuis quelques années, les microscopes à champ proche (microscopes à effet tunnel, microscopes à force atomique) montrent des atomes sur les surfaces et permettent de les manipuler. Le système des pincettes magnétiques de C. Bustamante est un nouvel outil pour sonder des molécules isolées ; l'ADN est une molécule de choix pour ces expériences, non seulement parce qu'elle est le symbole moléculaire de la vie, mais aussi parce qu'elle est très longue. D'autres polymères d'intérêt industriel ou biologique pourraient également être manipulées par de telles pincettes.

Pour la Science, N° 186, avril 1993, Marc Fermier, ESPCI, Paris