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Image de Adam Nieścioruk

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J.M. Poggi

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Introduction

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Des éléments récents suggèrent que la mécanique quantique est aussi pertinente dans le processus de photosynthèse, de magnétoréception, des réactions catalytiques enzymatiques, de réception olfactive, de photoréception, de génétique, de transfert d'électrons dans les protéines et d'évolution, pour n'en citer que quelques-uns.   Il est devenu évident que certains organismes peuvent exploiter certaines des caractéristiques de la mécanique quantique pour obtenir un avantage biologique sur leurs concurrents. D'autre part, le paradigme standard de la réplication de l'ADN ne peut expliquer ni le stockage à long terme de l'information génétique ni l'évolution du matériel génétique au fil des générations.   La théorie classique/quantique de l'information fournit les limites, connues sous le nom de  capacité  des  canaux, au-delà des erreurs biologiques qui ne peuvent être corrigées. Tout mécanisme de correction dans les systèmes de communication a les limites de la capacité de correction des erreurs.   Les mécanismes de correction et de réparation de l'ADN sont des concepts de correction d'erreurs faibles, très éloignés de la capacité du canal biologique, et en tant que tels, ils sont incapables d'expliquer la préservation fidèle de l'information génétique à travers le temps.   Toutefois, cette stabilité génétique n'est pas absolue, quel que soit le mécanisme de correction des erreurs génétiques. D'autre part, la stabilité imparfaite du matériel génétique est également responsable de l'évolution.   Sans évolution, la vie serait sous la même forme qu'elle est apparue initialement. De nombreuses tentatives ont également été faites pour tenter d'expliquer la structure du code génétique et le transfert d'informations de l'ADN aux protéines en utilisant les concepts de la théorie classique de l'information.   Cependant, étant donné que de nombreux processus biologiques dans les organismes dépendent de la mécanique quantique, la théorie classique de l'information est insuffisante pour fournir des réponses appropriées à de nombreux problèmes ouverts aujourd'hui.   De plus, étant donné que l'entropie de Shannon (classique) n'est que le cas particulier de l'entropie de von Neumann (quantique), il semble que seuls les efforts de la théorie de l'information quantique soient pertinents.

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L'idée est de décrire les divers processus biologiques comme des processus de communication, qu'ils soient de nature classique, quantique ou hybride.  En utilisant cette approche, nous décrivons le flux d'information de l'ADN aux protéines comme le problème du canal de communication quantique.  Dans ce modèle, la réplication de l'ADN, la transcription de l'ADN en ARNm et la traduction de l'ARNm en protéine sont considérées comme des processus de communication imparfaits.

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Perspective de la biologie quantique

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En 1944, Erwin Schrödinger a publié un livre scientifique non fictif intitulé What Is Life ? (Schrödinger, 1944). Ce livre était basé sur une série de conférences publiques qu'il avait données en février 1943, sous les auspices du Dublin Institute for Advanced Studies du Trinity College, à Dublin. 

Dans le premier chapitre de son livre, Schrödinger a tenté de rapprocher les processus fondamentaux de la biologie, les sciences de la physique et de la chimie.   Il a noté que la vie était composée de deux processus fondamentaux; l'un « ordre de l'ordre » et l'autre « ordre du désordre ». Il a observé que le gène générait l'ordre à partir de l'ordre dans une espèce, c'est-à-dire que la descendance héritait des traits du parent. Plus d'une décennie plus tard, Watson et Crick (1953) ont fourni à la biologie un programme de recherche qui a conduit à certaines des découvertes les plus importantes des cinquante dernières années.

Cependant, l'observation tout aussi importante mais moins comprise de Schrödinger était son ordre à partir de la prémisse du désordre. Il s'agissait d'un effort pour relier la biologie aux théorèmes fondamentaux de la thermodynamique (Schneider, 1987).

 

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Fondements de la thermodynamique biologique

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thermodynamique, biomolécules, génétique cellulaire et génétique cellulaire et bioénergétique

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Dans ce segment, nous décrivons les bases des biomolécules, de la génétique cellulaire et de la bioénergétique. Le chapitre commence par la thermodynamique biologique. Les biomolécules suivantes seront décrites : les acides aminés, les peptides, les protéines, les glucides et les polymères correspondants ; les acides nucléiques, les nucléosides et les nucléotides ; et les phospholipides. En ce qui concerne la dynamique cellulaire, les sujets suivants seront décrits : La structure de l'ADN, le code génétique, l'anatomie des gènes, la synthèse et la réparation de l'ADN, la transcription et la traduction. En ce qui concerne l'énergétique de la cellule, nous aborderons les formes universelles d'énergie, à savoir l'ATP et la force motrice du proton, ainsi que le métabolisme de l'organisme. Des détails complets sur la régulation du métabolisme de l'organisme procaryote seront fournis. En outre, nous discuterons de la relation entre la génétique et l'évolution.

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Thermodynamique biologique

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Les systèmes peuvent être classés en trois catégories génériques : les systèmes fermés, les systèmes ouverts et les systèmes isolés. Les systèmes fermés sont les systèmes qui n'échangent que de l'énergie (plus précisément de la chaleur) avec l'environnement. En revanche, les systèmes vivants sont des systèmes ouverts, c'est-à-dire des systèmes qui échangent à la fois de l'énergie et de la matière avec leur environnement. En d'autres termes, les systèmes vivants prennent les nutriments (matière et énergie) de l'environnement, effectuent le travail et génèrent la chaleur, et enfin rejettent les déchets. Ils ne peuvent en aucun cas être considérés comme des systèmes fermés. D'autre part, les systèmes vivants congelés à des fins expérimentales et de recherche peuvent être considérés comme des systèmes fermés. Nous disons qu'un système est isolé si ni l'énergie ni la matière ne sont échangées avec l'environnement. À ce stade, il est utile d'introduire les concepts d'équilibre et de régime permanent. Nous disons que le système est en équilibre lorsque tous les paramètres pertinents du système sont invariants dans le temps. D'autre part, nous disons que le système est dans un état stable lorsque l'énergie et/ou la matière entre dans le système et sort du système au même rythme.

Lorsque plusieurs systèmes sont en contact physique, à l'équilibre, ils auront la même température. Cette affirmation est parfois appelée "loi zéro".

CRISPR est la base d'un système révolutionnaire d'édition de gènes.

 

Un jour, il pourrait permettre de tout faire, de la résurrection d'espèces disparues à la mise au point de traitements pour les maladies chroniques.

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Il s'appuie sur une adaptation naturelle présente dans l'ADN des bactéries et des organismes unicellulaires.

CRISPR est l'abréviation de Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. 

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Il s'agit en fait de morceaux de code génétique ayant un format spécifique et reconnaissable. Ils contiennent une séquence qui revient sans cesse, même si elle est souvent inversée à chaque fois. 

C'est ce qui les rend "palindromiques" : les palindromes sont des mots qui peuvent être lus de la même façon à l'envers qu'à l'endroit. Les palindromes sont courants dans l'ADN. Certains servent de sauvegarde en cas de dommages causés à notre code génétique, tandis que d'autres sont fréquents dans les mutations cancéreuses.

Avec CRISPR, un groupe d'enzymes reconnaît certaines répétitions et casse l'ADN à cet endroit pour insérer des informations importantes au milieu. Ces insertions sont appelées "espaceurs" et contiennent le code génétique de différents virus qui ont envahi le monde dans le passé.

Ces invasions antérieures ont servi un objectif évolutif très important : l'immunisation contre les menaces étrangères.

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Les chercheurs ont découvert CRISPR chez E. Coli dans les années 1980. Lorsque E. coli survit à des attaques virales, il incorpore une partie de l'ADN du virus dans son propre code génétique.

E. Coli n'est pas le seul à utiliser cette stratégie. Entre les années 1980 et 2000, les scientifiques ont découvert que de nombreuses bactéries et organismes unicellulaires incorporent l'ADN viral de cette manière.

Les cellules utilisent ces séquences comme modèles pour transcrire des brins complémentaires d'ARN.

Lorsque des virus correspondant à la séquence modèle pénètrent dans la cellule, l'ARN complémentaire se lie à eux et ordonne à une série d'enzymes associées à CRISPR, ou enzymes "Cas", de les attaquer en coupant l'ADN de l'envahisseur au niveau du site de liaison. Cela neutralise la menace virale.

Le système CRISPR-Cas est incroyablement efficace. Il est également facile à manipuler et nous permet de modifier le code génétique d'une cellule comme bon nous semble.

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En 2012, la microbiologiste française Emmanuelle Charpentier et la biochimiste américaine Jennifer Doudna ont découvert que les enzymes Cas - en particulier Cas9 - peuvent être reprogrammées pour couper presque n'importe quelle partie du génome, à l'aide de séquences d'ARN fabriquées en laboratoire. Ces molécules d'"ARN guide" indiquent à Cas9 où couper l'ADN dans une cellule.

Pour leur découverte, Charpentier et Doudna ont reçu le prix Nobel de chimie en 2020.

Et l'utilisation de CRISPR a pris son envol dans le monde scientifique depuis leur percée.

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Mais les scientifiques sont encore loin de réaliser le potentiel de CRISPR. 

Cas9 est excellent pour supprimer ou éliminer des gènes indésirables. Mais pour la plupart des objectifs médicaux, il ne suffit pas de couper l'ADN indésirable. Les scientifiques doivent contrôler la façon dont l'ADN se répare. 

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Laissées à elles-mêmes, les cellules ont tendance à réparer l'ADN cassé en utilisant une méthode qui introduit beaucoup d'erreurs aléatoires. Les chercheurs peuvent fournir aux cellules des modèles pour guider le processus de réparation, mais ils travaillent encore à rendre cette méthode plus fiable.

Les chercheurs ont trouvé de nombreuses applications de CRISPR chez les animaux, comme la fabrication de poulets et de porcs résistants aux maladies et de moustiques qui ne peuvent ni piquer ni pondre. Mais ils ont de nombreux projets en cours, comme la création de cultures résistantes aux maladies, y compris les raisins de cuve. Plus ambitieusement, ils travaillent à modifier génétiquement des porcs pour que leurs organes puissent être transplantés sur des humains. Et ramener à la vie des espèces disparues, comme la tourterelle des bois, en modifiant le génome d'oiseaux similaires. 

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Lorsqu'il s'agit du génome humain, cependant, les scientifiques sont plus hésitants. Modifier notre propre ADN pourrait facilement finir par causer plus de problèmes qu'il n'en résout.

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Si le Cas9 coupe l'ADN de manière fiable là où nous le souhaitons, des expériences récentes ont montré qu'il peut également affecter des gènes très loin de leur cible. Et même si nous parvenions à le faire fonctionner de manière fiable, de nombreux experts ont fait part de leurs préoccupations éthiques quant à l'utilisation de cette technologie à des fins d'eugénisme et de "bébés sur mesure". Si les parents peuvent un jour payer des scientifiques pour modifier l'ADN de leurs bébés, les rendant plus forts et plus intelligents, CRISPR pourrait rendre le monde encore plus inégalitaire et plein de préjugés.

En 2018, le chercheur chinois HEH JEE'-an-qway a affirmé avoir utilisé CRISPR pour fabriquer des enfants résistants au VIH. Qu'il ait réussi ou non, son travail a violé les règles de la Commission nationale de la santé de Chine, et il a été condamné à trois ans de prison.

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L'utilisation de CRISPR sur des bébés est largement illégale. Mais il existe des cas où l'utilisation de CRISPR sur des humains peut valoir le coup.

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En 2020, des chercheurs américains ont commencé les premiers essais cliniques injectant CRISPR directement dans des humains vivants, visant à réparer une mutation génétique qui provoque la cécité.

De nombreux chercheurs espèrent que les thérapies basées sur CRISPR pourront un jour guérir les maladies héréditaires ; ils ont déjà observé des résultats prometteurs dans diverses études sur les animaux. Cependant, compte tenu des risques liés à l'édition du génome humain, nous sommes encore loin d'une utilisation généralisée de CRISPR en médecine.

CRISPR a donné à la science un outil permettant de manipuler de manière fiable le code de la vie. Mais la question demeure : pouvons-nous le faire en toute sécurité et de manière éthique, tout en évitant les conséquences involontaires d'un tel pouvoir ?

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