Le 28 fèvrier 1953

J. Watson et F. Crick découvrent le secret de la vie

Environnement

Comme chacun le sait, on doit au moine G Mendel (1822-1884) l'énoncé des premières lois sur l'hérédité dès 1866 grâce aux expériences sur les petits pois Pisum sativum. Dès cette époque, l'hérédité est contrôlée par des éléments autonomes qui se transmettent de générations en générations appelés dès 1909 "gènes" par le biologiste danois W. Johannsen (1857 - 1927). C'est à Hugo de Vries ( 1848-1935) qu' on doit l' introduction de la notion de "mutation" dans la théorie darwinienne de l'évolution. Mais c' est T. Morgan (1866-1945) qui établit le lien entre reproduction sexuée et hérédité sur une mutation d'une mouche mâle présentant anormalement des yeux rouges. Dans la mesure où ce caractère n' est pas présent habituellement chez le mâle, il en conclue que ce caractère est porté par le chromosome sexuel. Les caractères repérés par Mendel sont pour la première fois liés à un chromosome. Dès 1910, les travaux de T Morgan permettent de reconnaître les chromosomes comme support physique des gènes, théorie qu'il développe dans son livre publié en 1915 avec Sturtevant, Muller, Bridges: Le mécanisme de l'hérédité mendélienne. Collaborateur de Morgan , Herman Müller ( 1890-1967) cherchera a provoquer chez la drosophile des mutations par irradiation aux rayons X, technique que reprendra Delbrück qui, lui, s' intéresse à la nature chimique des gènes. La progression dans l' identification du support chimique de l'hérédité attendra les expériences de F. Griffith (1877-1941) :
Griffith décrit deux souches de pneumocoques Diplococcus pneumomiae : la souche R (comme rough) et la souche S ( comme smooth ). La souche S s'entoure d' une capsule; injectée à une souris, elle est mortelle. A l'inverse, la souche R ne synthétise pas une telle capsule, et est inoffensive par injection à une souris.
Griffith constate que l'injection de bactéries S, préalablement tuées par la chaleur, n'est plus mortelle pour la souris. Griffith décide alors d'injecter conjointement des bactéries S chauffées mélangées à des bactéries R vivantes. Cette fois, les souris sont atteintes mortellement. Les bactéries R, au contact des bactéries S tuées, ont donc acquis un caractère pathogène qu'elles ne possédaient pas précédemment. Ce phénomène mis en évidence en 1944 a été appelé transformation bactérienne qu' O. Avery, C. McLeod, McLyn McCarthy chercheront à élucider sur le pneumocoque. Ils montrent que ce facteur n'est autre que l'ADN extrait d'une souche Sl pour transformer une souche non virulente en souche virulente. La transformation des bactéries R s'effectue par incorporation de fragments d'ADN provenant des bactéries S tuées. Mais la découverte d' O Avery et de ses collègues est acceptée avec beaucoup de scepticisme. Seule la structure de l' ADN et sa relation avec la transmission des caractères génétiques pourra convaincre les savants dubitatifs.

La situation créatrice

Dans ces conditions, les recherches de J. D. Watson, M. Wilkins et F. Crick ne sont qu' un aboutissement , une sorte de puzzle patiemment rassemblé dans un milieu scientifique prestigieux. Aux Etats Unis, Linus Pauling du Californian Institute of Technology, abrégé en Caltech avait déjà découvert la structure en a- hélice de la structure secondaire des protéïnes. Pour J. D. Watson, L. Pauling est à imiter puis battre sur son propre terrain (1).

Cette hélice à elle seule, à la mode dans les milieux de recherche biologique, enlève toute crédibilité à une génération spontanée "ex nihilo " d' une avancée aussi considérable que celle du support biochimique de l'hérédité. Loin d'être la découverte d' un savant obscure et solitaire, elle est au contraire l'enjeu d'une compétition entre le King' Collège de Londres et le laboratoire Cavendish de Cambridge. Qui plus est, peu avant leur découverte, les 2 savants disposent de :

la composition chimique de l'ADN (désoxyribose, bases azotées, et groupements phosphate) ;
les clichés de diffraction aux rayons X d'ADN cristallisé, clichés dus principalement à Rosalind Franklin et Maurice Wilkins du King's College. Ces clichés montrent une figure en croix, caractéristique des structures en hélice ;
Rosalind Franklin dirigeait des rayons X sur une fibre de l'épaisseur d'un cheveu qui contenait des millions de brins d'ADN B (la forme hydratée) extraits du thymus de veau. Découverte par R. Franklin, cette forme B hydratée est celle qui se trouve à l'état naturel dans les cellules.
les travaux de Erwin Chargaff, qui avaient montré que pour toute molécule d'ADN, le nombre de molécules d'adénine est égal au nombre de molécules de thymine, et que celui de cytosine est égal à celui de guanine ;
les analyses en microscopie électronique, qui avaient montré que le diamètre de la molécule d'ADN est de 20 Å, ce qui suggérait que cette molécule comportait deux chaînes de désoxyribose-phosphate.

La découverte de la structure en hélice

C'est en élaborant successivement plusieurs modèles moléculaires que Watson et Crick réussissent à proposer une structure qui satisfasse à l'ensemble des données cristallographiques et biochimiques alors disponibles.

Projection Zig et Zag par rayons X sur la molécule d'ADN

Cet assemblage raconté dans " La Double Hélice " diffère grandement des phases 4 habituelles du processus créatif puisque la phase de Préparation est très longue alors que les phases d' incubation et d'illumination, tout au moins dans le récit qu' en fait J. D. Watson sont très courtes. Un moment d'illumination a, semble-t-il, eu lieu lorsque J.D. Watson a vu les clichés de cristallographie aux Rayons X de Rosalind Franklin. " The instant I saw the picture my jaw fell open and my pulse began to race " (Au moment où j' ai vu l'image, ma mâchoire s'est mise à bailler d'admiration et mon pouls à s'accélérer).

La découverte de la structure de l'ADN ne peut pas être détachée des découvertes de son fonctionnement.

Dans son autobiographie scientifique, J. D. Watson centre le questionnement sur l'information génétique et l'idée d'une réponse possible et non pas sur une discipline particulière. Au contraire, au fur et à mesure de son récit (et de ses recherches) il est amené à inclure à ses hypothèses des rudiments de mathématiques, chimie, biochimie et cristallographie Rayons X. Découverte en puzzle à l'aide d'emprunts, la paternité de la découverte a é té objet de controverse.

"Photo 51"

Maurice Wilkins, en effet, a montré les clichés de cristallographie par rayons X sur une molécule d' ADN pris par Rosalind Franlin (Photo 51), mais ... à son insu ! Sans doute ce cliché est venu confirmer les instuitions des chercheurs. Par ailleurs, la loyauté des protagonistes de la découverte dans les différents laboratoire sans faille : dans " La double hélice ", il n' est fait allusion qu' une fois à la possibilité de vol d' une idée. Dans son article final d' ailleurs J. D. Watson citant ses sources mentionne qu' il a eu à disposition des éléments non publiés.

Quoi qu'il en soit, cette structure de la molécule d'ADN explique la réplication à l'identique de l'information génétique contenue dans une cellule :

Dans un premier temps, la molécule composée de 2 brins enroulés chacun formé d'un enchainement de nucléotides (désoxyribose + phosphate + base azotée) s' entr'ouvre (par action de l'ADN-hélicase).
Les nucléotides, viennent s'apparier par leur base azotée, la Thymine (T)s'appariant à l'Adénine (A) et la Guanine (G) à la Cytosine (C) de telle sorte que chaque brun d'ADN serve de matrice à un nouveau brin identique.
Ce sont ces brins qui portent toute l'information nécessaire à la production des protéines de toute la cellule.

(1) J. D. Watson .- La double hélice, Compte-rendu personnel de la découverte de la structure de l' ADN. (Traduit de l' americain par Henriette Joël ) Hachettes Littérature, Paris 1984. p 79.

(2) Les secrets de la photo 51

(3) Animation de duplication de l'ADN

(4) Cycle Cellulaire

La représentation des molécules dans le modèle lui a été inspiré par Linus Pauling (p81)

Au lieu de papier et de crayon, les outils de travail etaient un ensemble de modèle moléculaires ressemblant grosso modo aux jouets des enfants d'âge prescolaire.

"Les acides nucléiques

Un nucléotide est formé d'un groupement phosphate, d'un glucide et de l'une des cinq molécules cycliques suivantes : adénine (A), guanine (G), thymine (T), uracile ou cytosine (C). Une liaison covalente peut s'établir entre le groupement phosphate et le glucide de deux nucléotides voisins. Cela permet la formation de chaînes qui constituent les acides nucléiques.

Ces chaînes sont de deux types : l'acide désoxyribonucléique (A.D.N.) qui a pour ose constitutif le désoxyribose et ne contient jamais d'uracile et l'acide ribonucléique (A.R.N.) qui a pour glucide constitutif le ribose et ne contient jamais de thymine.

Dans le cas de l'A.D.N., les nucléotides sont rangés dans un certain ordre à la manière des lettres de l'alphabet dans un texte. C'est cet ordre qui détermine l'information génétique. Le décryptage de l'enchaînement des nucléotides se fait grâce à un code, appelé code génétique, qui permet la traduction de l'information génétique des protéines.

L'A.R.N., quant à lui se présente sous la forme de molécules beaucoup plus courtes qui sont des copies de petites séquences de l'A.D.N. destinées à être "traduites" (A.R.N. messager) sous forme de protéines ou à participer à cette traduction (A.R.N. de transfert et A.R.N. ribosomique).

Chez les espèces vivantes, à l'exception des virus, l'A.D.N. est une structure double ressemblant aux montants d'une échelle dont les barreaux se forment par la liaison d'éléments spécifiques des nucléotides, les bases azotées. Par le jeu des forces électrostatiques, cette échelle d'A.D.N. subit une torsion qui lui fait adopter la forme hélicoïdale bien connue. Une des échelles est obligatoirement complémentaire de l'autre car les associations entre bases des deux brins de l'hélice sont obligatoirement A-T, T-A, G-C, C-G.

Les chaînes d'A.D.N. sont organisées en unités de fonction appelées "gènes", responsables de la synthèse d'une protéine ou d'une fraction de protéine, enzymatique ou non enzymatique. Les gènes ont une longueur moyenne de 1 000 à 2 000 paires de nucléotides et codent pour 300 à 600 acides aminés.

Les gènes sont portés par les chromosomes et occupent sur ceux-ci des emplacements fixes. Les chromosomes sont des filaments porteurs de l'information génétique. Ils sont constitués de protéines et d'A.D.N. et logés dans le noyau de la cellule. Leur nombre est constant dans une espèce donnée (2 fois 23 chez l'être humain); un seul chromosome différenciant l'homme de la femme.

L'acide désoxyribonucléique est le support de base de l'hérédité. Il gouverne notamment la biosynthèse des protéines. Pour ce faire l'information contenue dans 1'A.D.N. est d'abord transférée à des molécules d'A.R.N. Celles-ci servent à leur tour de matrice pour produire des séquences d'aminoacides caractéristiques des protéines. La traduction du "langage" des acides nucléiques à quatre nucléotides en "langage" des protéines à vingt acides aminés se fait par l'intermédiaire du code génétique. Les chromosomes sont, par conséquent, le siège de la biosynthèse des A.D.N. (replication) et de celle des A.R.N. (transcription).

La molécule d'A.D.N. doit au cours de son existence assurer un certain nombre de fonctions au sein de la cellule: sauvegarde, replication, transcription, réparation, recombinaison et transposition de l'information génétique. Seule la première de ces fonctions est passive et nécessite que l'A.D.N. soit sous une forme aussi stable et peu réactive que possible. Les autres fonctions nécessitent que l'A.D.N. soit au contraire sous une forme aussi réactive que possible."