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Un gène contient le modèle d’une protéine. En insérant un gène humain dans une bactérie, les scientifiques peuvent exploiter le métabolisme bactérien pour synthétiser des quantités massives de protéine codée. L'insuline, essentielle pour les patients diabétiques, en est un excellent exemple :l'insuline humaine recombinante est produite dans des cultures bactériennes modifiées, fournissant un approvisionnement sûr et efficace pour un usage thérapeutique.
Les bactéries portent des plasmides (petites molécules d'ADN circulaires) capables d'accepter des fragments d'ADN étrangers. Le génome humain peut être fragmenté et inséré dans des plasmides, chacun étant ensuite cloné dans des cellules bactériennes. Chaque colonie produit des millions de bactéries identiques contenant un segment génomique spécifique, créant une « bibliothèque » cryogénique où chaque flacon stocke un morceau défini d'ADN humain.
Étant donné que la croissance bactérienne n'est pas affectée par les mutations du gène inséré, les chercheurs peuvent introduire des changements précis (mutations ponctuelles, délétions ou insertions) dans le plasmide. Le gène mutant résultant est exprimé dans des bactéries, permettant l’amplification rapide d’une bibliothèque diversifiée de variantes. Ces gènes mutés peuvent ensuite être réintroduits dans des cellules humaines pour évaluer les conséquences fonctionnelles.
Les plasmides peuvent être modifiés pour coexprimer un rapporteur tel que la protéine fluorescente verte (GFP). En fusionnant la protéine humaine d'intérêt avec la GFP, les scientifiques obtiennent une construction marquée par fluorescence. Après production dans des bactéries et isolement des plasmides, le gène de fusion est délivré aux cellules humaines, permettant une visualisation en temps réel de la localisation et de la dynamique des protéines sous un microscope à fluorescence.