Fondements de la Génétique et Science des Matériaux

Théories historiques de l'hérédité

• Préformationnisme : Au XVIIIe siècle, l'usage de microscopes rudimentaires pour l'observation des spermatozoïdes portait à croire que ce sont des hommes minuscules, appelés homoncules, qui se développent chez des individus après la fécondation.
• Épigénèse : Le développement du microscope a révélé que la fécondation n'est pas seulement une croissance, mais qu'il y a une série de transformations structurelles.
• Pangenèse : Théorie selon laquelle tous les organes du corps des parents produisent une série de petits commencements voyageant à travers le sang vers les organes génitaux pour être transmis aux enfants.

Les bases de la génétique et les lois de Mendel

Matériel génétique : Le matériel génétique est appelé le tissu liquide composé de reproducteurs ; il est perpétuel et détermine la formation de tout le corps. Un petit changement dans le plasma entraînera des changements dans le corps.

Les lois de l'hérédité

• La loi de l'uniformité : À partir de races pures (plante verte ou jaune), tous les individus de la première génération (F1) sont égaux pour le caractère étudié.
• Loi de la ségrégation : Les facteurs héréditaires présents dans l'hybride se séparent lors de la formation des gamètes, donnant lieu à de nouvelles générations.
• Loi de transmission indépendante : Cette loi s'applique à deux caractères à la fois (par exemple, la couleur et la texture lisse ou rugueuse) et vérifie que la transmission de ces caractères se fait indépendamment.

Biologie moléculaire et structure de l'ADN

La biologie moléculaire étudie la vie au niveau moléculaire, établissant la structure de l'ADN et les processus d'exécution des ordres pour la construction de chaque être vivant.

• ADN : Une structure en double hélice composée de deux brins antiparallèles de nucléotides (adénine, thymine, cytosine, guanine) qui se complètent mutuellement et sont toujours orientés dans le même sens.
• Gène : Fragment d'ADN codant pour une protéine particulière.
• ADN recombinant : Molécule formée par l'union de deux molécules hétérologues provenant de sources différentes. Ce nom est généralement appliqué aux molécules produites par l'union délibérément artificielle, in vitro, de l'ADN de deux organismes différents qui ne se trouvent pas normalement ensemble. L'introduction de cet ADN recombinant dans un organisme produit une modification génétique permettant l'ajout de nouvel ADN, entraînant une modification des fonctions existantes ou l'expression de nouveaux caractères. Par exemple, la production d'une protéine non présente initialement dans le corps ; ces protéines produites à partir de l'ADN recombinant sont appelées protéines recombinantes. Ce processus est dirigé par des ingénieurs et diffère de la recombinaison génétique naturelle.

Processus cellulaires et manipulation génétique

Transcription et traduction

Transcription : Synthèse de l'ARN messager produite par l'évolution de la complexité des bases ; dans l'ARN, la thymine est remplacée par l'uracile. L'ARN messager subit une maturation dans le noyau en éliminant les séquences non codantes avant de se diriger vers les ribosomes.

La synthèse des protéines ou la traduction : Processus anabolique par lequel les protéines sont formées à partir d'acides aminés. C'est l'étape suivant la transcription de l'ADN en ARN. Puisqu'il y a vingt acides aminés différents et seulement quatre nucléotides (adénine, uracile, cytosine et guanine), la relation ne peut pas être d'un nucléotide pour un acide aminé, ni de deux (car les combinaisons ne seraient que de seize).

Réplication et reproduction assistée

• Réplication : Processus où deux copies identiques sont synthétisées en utilisant un brin d'ADN comme modèle.
• L'insémination artificielle : Méthode de reproduction dans laquelle le sperme est introduit chez la femme en utilisant des instruments et techniques spécialisés remplaçant l'accouplement, que ce soit au niveau des œufs (intrafolliculaires), des trompes de Fallope ou de l'utérus.

Génie génétique et biotechnologies

• Génie génétique : Consiste à modifier le génome. Il existe des techniques permettant de manipuler l'ADN afin d'ajuster le patrimoine génétique.
• Clonage : Consiste à faire des copies identiques d'ADN. On utilise souvent des bactéries car elles ont une procédure de reproduction rapide et commode, bien qu'on ne puisse pas gérer tous les facteurs.
• Polymérase : Enzyme capable de transcrire ou de répliquer des acides nucléiques. Elles sont essentielles dans la division cellulaire (ADN polymérase) et la transcription (ARN polymérase).

Mutations et génome humain

• Les mutations des gènes : Affectent un gène et sont produites par le changement, la perte ou le gain d'un ou plusieurs nucléotides.
• Mutation chromosomique : Affecte la structure des chromosomes. Si elles touchent les cellules somatiques, elles peuvent produire des tumeurs localisées sans effet sur la descendance ; si elles touchent les cellules reproductrices, le changement affecte la lignée aval.
• Génome : Le 26 juin 2000 a été découvert l'avant-projet du génome humain (G4) après 10 ans de recherche. Ce fait est crucial car les gènes et les maladies sont liés. Le projet a révélé 46 chromosomes (2 séries de 23), dont 44 autosomes et 2 gonosomes. 95 % de l'ADN n'a pas d'activité codante directe mais joue un rôle de régulateur.

Applications avancées et science des matériaux

Biotechnologie : Science basée sur l'utilisation d'organismes vivants ou de leurs composants pour obtenir ou modifier des produits, et améliorer des plantes, des animaux ou des micro-organismes à des fins spécifiques.

Clonage : Production de copies génétiquement identiques d'ADN, de cellules ou d'organismes.

• ADN : Naturel (réplication) / Laboratoire (réaction en chaîne par polymérase).
• Cellules : Naturel (mitose) / Laboratoire (culture cellulaire).
• Organismes : Naturel (reproduction asexuée) / Laboratoire (transfert nucléaire).

Le clonage thérapeutique : Légal dans plusieurs pays, il consiste à implanter le matériel génétique dans un œuf pour obtenir des cellules souches par culture en laboratoire.

Classification des matériaux

• Matières premières : Matériaux prélevés directement de la nature dont l'utilisation directe n'est pas toujours possible.
• Matériau transformé : Résultat de l'évolution de la matière première en éléments utiles.
• Matière synthétique : Obtenue grâce à une série de transformations artificielles.
• Recherche de nouveaux matériaux : Vise à améliorer les propriétés des matériaux existants pour faciliter le travail, économiser les ressources et intégrer le facteur environnemental.
• Les métaux : Éléments chimiques solides à température ambiante, bons conducteurs de chaleur et d'électricité, sujets à la rouille (sauf l'or, le platine et le nickel). Le processus d'extraction et de traitement est lié à la métallurgie et à l'acier.
• Les polymères : Macromolécules constituées de molécules simples répétées des milliers de fois. Note : p. naturels (plantes et animaux), p. artificiels (naturels modifiés chimiquement), p. synthétiques (polymérisation contrôlée).

La nanotechnologie

La nanotechnologie est la science permettant de contrôler les structures et la taille des machines moléculaires, capables de construire des matériaux atome par atome. Ses applications incluent les nano-ordinateurs, la médecine, l'énergie et la coopération contre l'environnement endommagé,