Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la Science 2018 dont The Conversation France est partenaire. Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.

Les cellules d’un organisme se développent selon un programme précis dicté par son ADN et influencé par l’environnement. Le processus de duplication de l’ADN ou une modification de l’environnement des cellules peuvent être à l’origine d’erreurs altérant le comportement normal de la cellule. Certaines de ces erreurs peuvent être corrigées (réparation de l’ADN), devenir fatales (apoptose) ou provoquer des anomalies de développement (malformation des organes). Certaines de ces erreurs peuvent conférer des avantages aux cellules et organismes qui les portent, et être recherchées, voire sélectionnées.

Comment se produisent les erreurs ? Parmi les agents créant des erreurs au niveau de l’ADN, on recense les agents mutagènes chimiques, les rayonnements ultraviolets et les rayonnements ionisants. Ces agents modifient les bases de l’ADN, ou brisent la structure physique de l’hélice d’ADN ou provoquent des erreurs lors de la réplication de l’ADN. Si la lésion de l’ADN n’est pas corrigée, l’information génétique peut être altérée de façon permanente, créant une mutation. Ces agents sont dits génotoxiques.

Se construire sans erreur

Les brins d’ADN peuvent donc être cassés ou modifiés. La plupart de ces lésions moléculaires sont détectées et corrigées quelques secondes après leur création, avant qu’elles ne causent des anomalies définitives. Les systèmes de détection des erreurs, sensibles aux mauvais appariements des bases ou aux altérations de la structure physique de l’ADN, évitent ainsi aux cellules de transmettre des informations erronées, dont les répercussions peuvent avoir des effets au niveau de la cellule ou de l’organisme. Des agents génotoxiques sont impliqués dans des processus de cancérisation où l’accumulation de mutations conduit à la transgression des règles de la vie cellulaire avec pour conséquence une prolifération anarchique, l’évitement de la mort cellulaire.

Par ailleurs, si ces mutations se produisent lors de la vie embryonnaire, elles peuvent avoir des effets sur le développement. La chorégraphie qui préside à l’édification d’un organisme à partir d’une unique cellule œuf demande une régulation fine. Toute dérégulation peut compromettre sévèrement le développement de l’individu ou altérer des fonctions cellulaires capitales.

Ainsi chez l’homme, la consommation d’alcool, de drogue, la prise de médicaments et les infections virales (rubéole) au cours de la grossesse ont des effets visibles sur le développement embryonnaire et la vie de l’individu.

La thalidomide est un agent pharmacologique qui constitue un cas d’école : prescrit aux femmes enceintes pour lutter contre les nausées et les troubles nerveux, ce médicament est à l’origine de graves malformations congénitales. La thalidomide fait désormais partie de ce que l’on appelle les agents tératogènes, c’est-à-dire qui peuvent provoquer des effets néfastes sur le fœtus lorsque celui-ci y est exposé pendant la grossesse. Le type de malformation ou de défaut de développement embryonnaire sera conditionné par la durée, le moment de l’exposition et la nature des agents dits tératogènes.

Certains modèles animaux, comme les amphibiens, peuvent aider à comprendre les facteurs environnementaux qui conduisent aux anomalies de développement.

Se construire sur une erreur

Certaines de ces erreurs liées à la multiplication de l’ADN sont à l’origine de l’apparition de nouveaux caractères ou de nouvelles propriétés indispensables à l’évolution des organismes. Dans la nature, ces nouvelles propriétés vont, par exemple, permettre à l’individu de mieux s’adapter à son environnement. L’homme tire parti de ces erreurs notamment en sélectionnant des espèces adaptées à différentes situations.

La domestication du maïs en est un bon exemple. Elle commence il y a 9 000 ans au Mexique lorsque l’homme sélectionne des plants mutés de téosinte, l’ancêtre du maïs tel que nous le connaissons aujourd’hui. De façon étonnante, les différences morphologiques majeures entre la téosinte et le maïs sont dues à un très petit nombre de gènes dont les mutations ont permis au maïs de prendre un rôle central dans l’alimentation d’Amérique centrale depuis plus de 5 000 ans. Depuis, l’homme n’a cessé d’optimiser le maïs dans le but d’améliorer son rendement de production ou d’adapter ses caractéristiques aux différentes applications industrielles. Ainsi, plusieurs dizaines de nouvelles variétés sont actuellement développées chaque année en France.

L’utilisation du maïs se décline aujourd’hui dans trois grands domaines d’applications. La grande majorité de la production est dévolue à l’alimentation animale. Viennent ensuite l’alimentation humaine, mais également les industries non-alimentaires où le maïs pourra être décliné du biocarburant au bioplastique.

Cette grande variété d’applications nécessite des maïs présentant des caractéristiques très différentes, notamment en ce qui concerne la composition et la morphologie du grain. Le grain de maïs est composé de différentes parties :

• l’embryon, situé à la base du grain ;

• l’albumen principalement composé de grains d’amidons et d’eau ;

• l’enveloppe extérieure ou péricarpe.

Même si les variétés actuelles de maïs produisent des grains de couleur jaune, il existe en réalité une multitude de couleurs possibles allant du violet au jaune, en passant par le rouge ou le rose. Ces variations de couleurs sont dépendantes de l’accumulation de pigments (carotènes et anthocyanes) dans les différentes couches cellulaires des grains.

Les différences entre les variétés de maïs sont liées à la présence de modification de l’ADN de la plante. Certaines variétés ont ainsi été sélectionnées pour un usage spécifique, c’est le cas, par exemple du maïs à éclater ou Zea mays var. everta qui possède une enveloppe externe très épaisse indispensable à la fabrication du popcorn.

Lorsqu’on chauffe de tels grains à une température optimale de 180°C, l’eau présente dans l’albumen va entrer en ébullition et se concentrer au cœur du grain. L’enveloppe extérieure de cette variété de maïs est alors suffisamment épaisse pour permettre une montée en pressions de l’eau qui va cuire le grain d’amidon, le rendre visqueux et permettre son agglutination. La vapeur d’eau occupant un plus grand volume que sous forme liquide, elle va enfin rompre brutalement l’enveloppe et l’amidon prendra alors la forme caractéristique du popcorn. Le popcorn peut alors être savouré, mais également être utilisé pour le conditionnement biodégradable d’objet fragile, le popcorn présentant des propriétés élastiques équivalentes à celles du polystyrène expansé.

Ainsi, l’erreur fait partie de la vie de toutes les cellules. Si elle n’est pas réparée, elle peut être source de diversité, d’apparition de malformations ou de nouveaux caractères. Si les erreurs lors du développement peuvent être associées à des événements dramatiques, elles peuvent également être moteurs de l’évolution. Elles peuvent par ailleurs être sélectionnées par l’homme pour l’amélioration variétale.

Cet article a été écrit par trois chercheurs de l’Unité de Glycobiologie structurale et fonctionnelle de Lille (le docteur Corentin Spriet, le professeur Jean‑François Bodart et le docteur Fabrice Wattebled) dans le contexte du village des sciences de Lille ou ces thèmes seront développés au travers de différents stands d u 11 au 14 octobre 2018. N’hésitez pas à nous rendre visite pour en savoir plus !

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation par Corentin Spriet, PhD en Instrumentation et Analyse Avancée, HDR en Biologie et Santé., Université de Lille