Exercices: Les applications des biotechnologies

Citer deux applications des biotechnologies dans le domaine de la santé et expliquer brièvement en quoi consiste chacune.

Dans les stations d'épuration des eaux usées interviennent des bactéries et d'autres micro-organismes. Expliquer quel rôle ils jouent dans l'épuration de l'eau.

Qu'est-ce que la thérapie génique ? Donner un exemple de maladie que l'on tente de traiter avec cette stratégie et expliquer son principe.

Le maïs Bt incorpore un gène de la bactérie Bacillus thuringiensis qui produit une toxine insecticide. Exposer deux avantages de cette culture transgénique et deux risques ou critiques qui lui sont adressés.

Le schéma résume, en quatre étapes numérotées, comment on obtient aujourd'hui l'insuline humaine. Expliquer ce qui se passe à chaque étape et justifier les avantages de cette méthode par rapport à l'extraction d'insuline à partir de pancréas de porc ou de bœuf.

La biorémédiation emploie des micro-organismes pour nettoyer des déversements d'hydrocarbures. Expliquer en quoi consiste cette technique et quelles conditions doivent être réunies pour que les micro-organismes dégradent efficacement le polluant.

Lors du développement d'un vaccin à ARNm contre un virus pathogène enveloppé, l'équipe de recherche doit surmonter plusieurs obstacles physiologiques et cellulaires :

1. a) Si de l'ARNm libre était injecté directement dans la circulation sanguine, il serait dégradé en quelques minutes et serait incapable de traverser la membrane plasmique. Justifier quelles barrières biologiques (moléculaires et électrostatiques) empêchent son entrée et expliquer comment l'encapsulation dans des nanoparticules lipidiques résout ce problème.
2. b) Une fois dans le cytosol des cellules de l'hôte, décrire quel organite traduit l'ARNm et réfuter l'affirmation erronée selon laquelle « les vaccins à ARNm peuvent modifier de façon permanente le génome du patient », en apportant deux arguments biologiques fondés sur le flux de l'information génétique et la compartimentation cellulaire.
3. c) Comparer la sécurité de ce vaccin à celle d'un vaccin classique à virus atténué chez une personne atteinte d'un déficit immunitaire grave : prévoir quel risque de réversion ou de réplication pathogène présente le vaccin atténué et qui n'existe absolument pas avec le vaccin à ARNm, et justifier le raisonnement.

Lors d'une enquête criminelle, on trouve une minuscule tache de sang sur les vêtements d'une victime (Échantillon). La police interroge deux suspects (S1 et S2). Par ailleurs, dans une procédure civile parallèle, une femme (M) réclame à S1 la paternité de son enfant (H). Le laboratoire analyse trois locus de séquences courtes répétées en tandem (STR) :

1. a) Interpréter les résultats de l'enquête : peut-on écarter l'un des suspects ? Cette concordance permet-elle d'affirmer avec une certitude absolue de $100\ \%$ que le suspect non écarté est l'auteur du crime ? Justifier la réponse en considérant la probabilité statistique et la nécessité d'analyser davantage de locus.
2. b) Analyser les données du test de paternité : déduire les allèles paternels obligatoirement reçus par l'enfant (H) en comparant son génotype à celui de sa mère (M). À partir de ceux-ci, déterminer de façon argumentée si S1 peut être le père biologique de H.
3. c) Expliquer aux niveaux chromosomique et moléculaire ce que signifie le fait qu'un individu présente deux valeurs différentes à un locus STR plutôt qu'une seule (comme au locus 3 de S1), et quelle technique d'analyse permet de distinguer ces allèles après leur amplification par PCR.

Un consortium biomédical propose d'appliquer la technologie CRISPR/Cas9 à des zygotes humains viables pour corriger une mutation autosomique dominante responsable de la maladie de Huntington avant l'implantation de l'embryon.

1. a) Décrire les deux éléments moléculaires indispensables du système CRISPR/Cas9 qui doivent être micro-injectés dans le zygote et expliquer comment ils agissent de façon coordonnée pour reconnaître et couper avec précision la séquence d'ADN cible.
2. b) Lors des essais expérimentaux, on détecte deux problèmes techniques majeurs : des coupures hors cible (effets off-target) et un mosaïcisme génétique (certaines cellules du blastocyste portent la modification et d'autres conservent l'allèle d'origine non modifié). Justifier aux niveaux moléculaire et du développement embryonnaire pourquoi le mosaïcisme apparaît et prévoir les conséquences pour la santé de l'individu né.
3. c) Distinguer précisément l'édition génique somatique de l'édition génique de la lignée germinale. Justifier scientifiquement pourquoi la modification de la lignée germinale chez des embryons suscite un rejet éthique et juridique bien plus fort dans la communauté internationale que la thérapie génique appliquée aux cellules somatiques d'un patient adulte.

Défi du thème. Endosser le rôle de conseiller scientifique et rédiger un rapport technique sur l'impact réel des biotechnologies dans notre environnement.

1. Recueil de données officielles : Consulter le site du ministère espagnol de l'Agriculture, de la Pêche et de l'Alimentation (MAPA) et relever la surface cultivée (en hectares) de maïs génétiquement modifié ($MON\,810$) en Espagne au cours des trois dernières années disponibles.

2. Bases du génie génétique : Élaborer un schéma explicatif du processus biotechnologique pour créer cet OGM, en détaillant l'utilisation des enzymes de restriction, des vecteurs de clonage, de l'ADN ligase et des méthodes de transfert et d'intégration génique.

3. Analyse des applications : Comparer cette application agronomique à une application médicale (comme l'obtention d'insuline recombinante ou une thérapie par $CRISPR/Cas9$), en calculant la variation en pourcentage de la surface cultivée avec une décimale (par exemple, $+2,5\,\%$).

4. Avis bioéthique : Rédiger une proposition finale argumentée évaluant la durabilité environnementale, le flux de gènes vers les espèces sauvages et l'impact socio-économique de l'usage des brevets biotechnologiques.

Seront évalués :

• La précision conceptuelle dans la description des outils et des étapes de l'ADN recombinant.

• La rigueur dans le recueil, la mise en tableau et l'analyse en pourcentage des données officielles.

• L'argumentation critique et intégrée sur les applications agricoles et biomédicales dans une perspective bioéthique.