L’étude du comportement des molécules d’ADN nous aide à mieux comprendre les maladies génétiques et à concevoir de meilleurs médicaments. Jusqu’à présent, l’examen des molécules d’ADN une par une était un processus lent. Des biophysiciens de l’Université de technologie de Delft et de l’Université de Leyde ont développé une technique qui accélère d’au moins mille fois le criblage des molécules d’ADN individuelles. Grâce à cette technologie, ils peuvent mesurer des millions de molécules d’ADN en une semaine au lieu de plusieurs années, voire décennies. L’étude est désormais publiée dans Science.
« L’ADN, l’ARN et les protéines sont les acteurs clés de la régulation de tous les processus dans les cellules de notre corps », explique le professeur John van Noort de Leiden. « Pour comprendre le (mauvais) fonctionnement de ces molécules, il est essentiel de découvrir comment leur structure 3D dépend de leur séquence. Pour cela, il est nécessaire de les mesurer une molécule à la fois. Cependant, les mesures de molécules individuelles sont laborieuses et lentes, et le nombre de variations de séquence possibles est énorme. »
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Des décennies aux jours
L'équipe de scientifiques a désormais développé un outil innovant, appelé SPARXS (Single-molecule Parallel Analysis for Rapid eXploration of Sequence space), qui permet d'étudier des millions de molécules d'ADN simultanément.
Les techniques traditionnelles qui permettent de sonder une séquence à la fois nécessitent généralement des heures de mesure par séquence. Avec SPARXS, nous pouvons mesurer des millions de molécules en un jour ou une semaine. Sans SPARXS, une telle mesure prendrait plusieurs années, voire plusieurs décennies.
Chirlmin Joo, professeur à Delft
« SPARXS nous permet d'étudier de grandes bibliothèques de séquences, ce qui nous donne de nouvelles perspectives sur la façon dont la structure et la fonction de l'ADN dépendent de la séquence. De plus, la technique peut être utilisée pour trouver rapidement la meilleure séquence pour des applications allant de la nanotechnologie à la médecine personnalisée », ajoute Carolien Bastiaanssen, doctorante.
Jamais combiné auparavant
Pour créer leur nouvelle technique SPARXS, les chercheurs ont combiné deux technologies existantes qui n'avaient jamais été associées auparavant : la fluorescence à molécule unique et le séquençage Illumina de nouvelle génération. Dans la première technique, les molécules sont marquées avec un colorant fluorescent et visualisées à l'aide d'un microscope sensible. La seconde technique lit simultanément des millions de codes ADN. Joo : « Il a fallu un an pour déterminer si la combinaison des deux techniques était faisable, quatre années supplémentaires pour développer une méthode de travail et deux années supplémentaires pour garantir la précision et la cohérence des mesures tout en gérant l'énorme quantité de données générées. »
« La partie vraiment intéressante et amusante a commencé lorsque nous avons dû interpréter les données », explique Ivo Severins, premier auteur. « Étant donné que ces expériences combinant des mesures de molécules individuelles avec le séquençage sont totalement nouvelles, nous n'avions aucune idée des résultats que nous pourrions obtenir. Il a fallu effectuer de nombreuses recherches dans les données pour trouver des corrélations et des modèles, et pour déterminer les mécanismes qui sous-tendent les modèles que nous observons. »
Surmonter les défis du traitement des données
Un autre défi à relever était de gérer la grande quantité de données, ajoute Van Noort : « Nous avons dû développer un pipeline d'analyse automatisé et robuste. C'était particulièrement difficile car les molécules individuelles sont fragiles et ne produisent qu'une infime quantité de lumière, ce qui rend les données intrinsèquement bruyantes. De plus, les données obtenues ne fournissent pas directement d'informations sur la manière dont la séquence affecte la structure et la dynamique de l'ADN, même pour les structures d'ADN relativement simples que nous avons étudiées. Pour vraiment tester notre compréhension, nous avons mis en place un modèle qui intègre notre connaissance de la structure de l'ADN et l'avons comparé aux données expérimentales. »
Progrès médicaux
Une manipulation et une compréhension plus précises des séquences d'ADN devraient conduire à des avancées dans les traitements médicaux, comme des thérapies géniques plus efficaces et une médecine personnalisée. Les chercheurs prévoient également des innovations biotechnologiques et une meilleure compréhension de la biologie au niveau moléculaire. Joo : « Nous prévoyons que des applications dans la recherche génétique, le développement de médicaments et la biotechnologie commenceront à émerger dans les cinq à dix prochaines années. »
