Si l’on mettait bout à bout les doubles brins d’ADN contenus dans les 23 paires de chromosomes d’une seule cellule humaine, l’on obtiendrait un fil de 1 m 90. Pourtant, celui-ci se trouve replié en pelote dans le noyau de la cellule dont le volume est de quelques centaines de micromètres cube… Comment alors cette pelote si dense et enchevêtrée peut-elle remplir à la perfection son rôle d’usine à protéines, synthétisant à tout moment et en flux continu celles nécessaires au bon fonctionnement de la cellule ?

La question intrigue les chercheurs depuis longtemps… Mais aujourd’hui une équipe de physiciens russes de l’université de Moscou vient d’en montrer les principes de fonctionnement à l’aide d’une simulation informatique (ici, la version arXiv de l’article). De fait, cette pelote a une structure “fractale” très organisée qui lui permet notamment de regrouper spatialement de petites régions (gènes) naturellement éloignées dans le double-brin afin de déclencher une cascade de synthèses.

 Un noyau très dense et emmêlé, mais qui ne fait pas de nœuds

Les cellules humaines (et les autres à noyau) font un travail stupéfiant. A tout moment, leur ADN replié dans le noyau sous forme de chromatine, qui occupe 10 % de la cellule, produit des dizaines de protéines régulant son fonctionnement interne ou sortant de la cellule pour transmettre des informations aux autres. Mais pour accomplir une fonction biologique, plusieurs zones de l’ADN (réseau de gènes actifs) doivent se trouver cote-à-cote afin que les enzymes fassent leur travail de synthèse. Les enzymes s’accrochent alors aux séquences de double-brin, les transcrivent (copie) en forme de simple brin (ARN) lequel fabriquera les protéines.

La manière dont les 1 m 90 d’ADN s’organisent dans le volume du noyau intrigue les biologistes. En effet, quand on oblige une fibre, de polymère par exemple, à se replier dans une solution liquide, celle-ci forme une pelote qu’il est impossible de déplier d’un coup et totalement tant elle formera des nœuds et des “grumeaux” de fil intriqué.

 Un “monstre” mathématique au secours de l’ADN : le globule fractal

Mais l’ADN, lui, est plié de telle manière qu’il peut se déplier en un instant lors de la mitose (duplication de la cellule) sans faire de nœuds, ou déplier des boucles localement en périphérie du noyau. De plus ce repliement est tel qu’il rapproche spatialement différentes zones de l’ADN (des gènes codants), éloignées sur le double brin, pour qu’ils puissent agir de concert… Un exploit quand on songe que l’ADN contient plus 3 000 millions de paires de bases formant notamment 20 000 gènes codants.

Cet exploit, une équipe de physiciens a réussi à le simuler dans un supercalculateur à l’aide d’un modèle physique extrêmement complexe mais qui repose sur l’idée que le noyau est un “globule fractal”, une invention des mathématiciens qui jusqu’à récemment n’avait pas d’application dans le monde réel. Ce “monstre” mathématique est replié selon un schéma qui se répète à plusieurs échelles et est tel qu’un marcheur ne croiserait jamais deux fois un même lieu (pas d’intersections).

 La confirmation d’une hypothèse par l’ordinateur

La ressemblance entre le noyau cellulaire et un globule fractal a été postulée il y a plus de 20 ans, mais aucun modèle réaliste permettant de simuler concrètement le mode de repliement de l’ADN nucléaire en fonction de principes chimiques et physiques n’avait jusque-là pu être conçu.

Avec ce modèle les chercheurs montrent comment le noyau réussit les différents processus, de la synthèse synchronisée de protéines au dépliement de la mitose, en un temps adapté à l’urgence biologique malgré un environnement (milieu intracellulaire) très agité. Ce qui confirme l’hypothèse de l’ADN-globule fractale et donne un nouvel outil informatique à la recherche en biologie.

Román Ikonicoff

 

> Lire également :

• Les moustiques nous piquent en fonction de notre ADN
• Le plus vieil ADN humain jamais séquencé
• Toutes nos cellules contiennent-elles le même ADN ?
• Nanomatériaux à base d’ADN : leurs formes n’ont plus de limites

 

> Lire aussi dans les Grandes Archives de S&V :

• La mécanique de la vie – S&V n°1150 – 2013. Contraintes, frottements, contractions… les forces physiques agissent aussi sur les cellules, et influencent leur développement et leur organisation à l’intérieur de l’organisme. La division cellulaire, aussi, obéit aux lois de la physique !

• Les nouveaux mystères de l’ADN – S&V n°1145 – 2013 – Depuis la découverte de la structure de l’ADN, en 1953, les biologistes ne cessent de s’étonner de la sophistication de cette minuscule machinerie qui contient toutes les informations pour faire fonctionner un organisme vivant. C’est un véritable langage, dont les paroles sont des protéines, qui est loin d’avoir été parfaitement déchiffré.

• Ils ont créé des êtres presque vivants – S&V n°1157 – 2014 – C’est un fait : il y a 3,7 milliards d’années des organismes vivants ont commencé à émerger de l’inerte. Cela ne s’est pas fait du jour au lendemain : des dizaines de millions d’années durant lesquelles des formes intermédiaires, ni vivantes ni inertes, ont crû dans les océans. Les scientifiques tentent de comprendre et reproduire cette étape en laboratoire.