Une histoire de cas en recherche biologique
Edward Lawrie Tatum (1909-1975) est né le 14 décembre 1909 à Boulder, Colorado, États-Unis. Il était le fils aîné d’Arthur Lawrie Tatum, professeur de pharmacologie à la faculté de médecine de l’Université du Wisconsin, et de Mabel Webb Tatum. Après la mort de sa mère, son père a épousé l’ancienne Celia Harriman. Tatum a fait ses études à l’Université de Chicago et du Wisconsin, obtenant son diplôme AB en chimie en 1931, sa maîtrise en microbiologie en 1932 et son diplôme doctorat en biochimie en 1934. Pour le diplôme doctorat sa thèse portait sur les travaux sur la nutrition et le métabolisme des bactéries qu’il avait fait sous la direction d’Edwin Broun Fred et William Harold Peterson. Ce travail posa sans doute les bases de son travail ultérieur avec George Wells Beadle, qui vaudra à leur livre, en 1958, le prix Nobel de physiologie ou médecine.
Après avoir obtenu son doctorat, Tatum a étudié pendant un an à l’Université du Wisconsin, puis a reçu une bourse d’enseignement général à l’Université d’Utrecht, aux Pays-Bas. Il rejoint ensuite le département des sciences biologiques de l’université de Stanford, en Californie, où il est chercheur associé de 1937 à 1941, et professeur adjoint de 1941 à 1945. De 1945 à 1948, il est successivement professeur adjoint de botanique et professeur de microbiologie à l’université de Yale. . En 1948, il retourna à l’Université de Stanford en tant que professeur de biologie et y devint plus tard professeur de biochimie. C’est durant cette période de sa vie et de son travail à l’Université de Stanford qu’il a collaboré avec George Wells Beadle, qui était professeur de biologie (génétique) à cette université jusqu’en 1946.
Les recherches de Tatum ont porté principalement sur la biochimie, la nutrition et la génétique des micro-organismes et de la mouche des fruits, Drosophila melanogaster. Au cours de sa fructueuse collaboration avec George Wells Beadle, il a pris en charge les aspects chimiques de leur travail conjoint sur la génétique de la couleur des yeux chez la drosophile. Lorsque lui et Beadle ont décidé d’abandonner leurs travaux sur la drosophile et de travailler à la place avec le champignon Neurospora crassa, c’est Tatum qui a découvert que la biotine était nécessaire pour la culture réussie de ce champignon sur des milieux inorganiques simples et a ainsi fourni à ces deux travailleurs le matériel génétique dont ils avaient besoin pour le travail qui les a valus, avec Joshua Lederberg, le prix Nobel .
En 1953, il reçoit le prix Remsen de l’American Chemical Society. Il est membre du comité consultatif de la National Foundation et a siégé à des comités consultatifs de recherche du comité américain du National Research Council on Growth. Il a également siégé pendant 10 ans au comité de rédaction du Journal of Biological Chemistry. Il est aujourd’hui membre du comité de rédaction de Science et de Biochimica et Biophysica Acta. Tatum est marié à Viola Kantor. Il a deux filles, Margaret et Barbara, nées de lui et de sa première épouse, June Alton.
Une histoire de cas en recherche biologique
Lors de la recherche d’une nouvelle approche, une considération importante était qu’une grande partie de la génétique biochimique a été et sera couverte par le professeur Beadle et le professeur Lederberg, et dans de nombreux symposiums et revues, dans lesquels de nombreux aspects ont été et seront examinés dans plus de détails et avec plus de compétence que je ne peux espérer le faire ici. Il m’est venu à l’esprit qu’il pourrait peut-être être instructif, utile et intéressant d’utiliser l’approche que j’ai tenté de définir sous le titre « Une histoire de cas dans la recherche biologique ».
Dans le développement de cette histoire de cas, j’espère souligner certains des facteurs impliqués dans toute recherche, en particulier la dépendance du progrès scientifique : sur les connaissances et les concepts fournis par les chercheurs du passé et du présent partout dans le monde ; sur le libre échange d’idées au sein de la communauté scientifique internationale ; sur la vigueur hybride résultant de la fertilisation croisée entre disciplines ; et enfin et surtout, dépendant également du hasard, de la proximité géographique et des opportunités. Je voudrais enfin terminer cette histoire de cas par une brève discussion de l’état actuel du champ et un pronostic de son développement possible.
Dans ces circonstances, j’espère qu’on me pardonnera si cette présentation est faite d’un point de vue personnel. Après avoir été diplômé de l’Université du Wisconsin en chimie, j’ai eu la chance d’avoir l’opportunité de faire des études supérieures en biochimie et microbiologie dans cette université sous la direction et le leadership de WH Peterson et EB Fred. A cette époque, au début des années 30, l’un des domaines passionnants qui s’ouvrait concernait les soi-disant « facteurs de croissance » des micro-organismes, pour la plupart encore mystérieux et non identifiés. Je me suis profondément impliqué dans ce domaine et j’ai eu la chance d’avoir pu, en collaboration avec HG Wood, alors en visite au Wisconsin, identifier l’un des facteurs de croissance requis pour les bactéries propioniques, comme la vitamine B1 ou thiamine [récemment synthétisée]. C’était avant que l’universalité du besoin en vitamines B, et la base enzymatique de ce besoin, n’aient été clairement définies. La vision de Lwoff et Knight avait déjà indiqué une corrélation entre le besoin des micro-organismes en « facteurs de croissance » et l’échec de la synthèse, et corrélé cet échec avec l’évolution, notamment en relation avec l’environnement complexe des micro-organismes pathogènes «fastidieux» organismes. Cependant, la tendance à cette époque était de considérer les « facteurs de croissance » comme des exigences hautement individuelles, propres à des souches ou des espèces particulières de micro-organismes isolés de la nature, et leur variation à ces égards n’était généralement pas considérée comme liée à la mutation génétique et la variation dans les organismes supérieurs. 
Après avoir terminé mes études supérieures au Wisconsin, j’ai eu la chance de pouvoir passer un an à étudier à l’Université d’Utrecht avec F. Kögl, le découvreur de la biotine, un facteur de croissance, et de travailler dans le même laboratoire avec Nils Fries, qui avait déjà contribué de manière significative dans le domaine de la nutrition et de la croissance des champignons. À cette époque, le professeur Beadle venait de déménager à l’Université de Stanford et m’a invité en tant que biochimiste à le rejoindre dans l’étude plus approfondie des hormones de couleur des yeux de la drosophile , que lui et Ephrussi dans leur travail au California Institute of Technology et à Paris avait si brillamment établi que les produits diffusibles de réactions contrôlées par les gènes. Au cours de cela, mes premiers contacts avec les concepts génétiques modernes, à la suite d’un certain nombre de facteurs l’observation de Khouvine, Ephrussi et Chevais à Paris que le tryptophane alimentaire était concerné par la production d’hormones de couleur des yeux chez la drosophile ; nos études sur la nutrition de la Drosophile en culture aseptique ; et la contamination fortuite d’une de nos cultures deDrosophile avec une bactérie particulière – nous avons pu isoler l’hormone v + à l’état cristallin à partir d’une culture bactérienne alimentée en tryptophane , et avec AJ Haagen-Smit pour l’identifier comme kynurenine , isolée à l’origine par Kotake, et plus tard identifiée structurellement correctement par Butenandt. On pourrait souligner ici que la kynurénine a depuis été reconnue comme occupant une position centrale dans le métabolisme du tryptophane dans de nombreux organismes autres que les insectes, y compris les mammifères et les champignons.
Vers cette époque, à la suite de nombreuses discussions et considérations sur l’applicabilité biologique générale des concepts de génétique chimique, stimulés par la richesse des potentialités des micro-organismes et leur nature variable par rapport à leurs besoins nutritionnels, nous avons commencé notre travail avec la moisissure Neurospora crassa.
Je n’énumérerai pas les facteurs impliqués dans notre sélection de cet organisme pour la production de mutants chimiquement ou nutritionnellement déficients, mais je dois saisir cette occasion pour réitérer notre dette envers les découvertes fondamentales précédentes d’un certain nombre de chercheurs. Au premier rang de ceux-ci, à BO Dodge pour avoir établi cet ascomycète comme organisme le plus approprié pour les études génétiques ; et à CC Lindegren, qui s’est intéressé à Neurospora par l’intermédiaire de TH Morgan, un ami proche de Dodge.
Notre utilisation de Neurospora pour des études génétiques chimiques aurait également été beaucoup plus difficile, voire impossible, sans la disponibilité de biotine synthétique issue des travaux de Kögl et de du Vigneaud. De plus, les investigations de Nils Fries sur la nutrition des Ascomycètes ont été des plus utiles, comme le montre le fait que le milieu minimal synthétique utilisé avec Neurosporapendant de nombreuses années était celle décrite par lui et complétée uniquement par de la biotine, et est généralement appelée depuis «milieu Fries». Il convient également de souligner que la faisabilité expérimentale de la production des souches mutantes nutritionnellement déficientes souhaitées dépendait des premiers travaux pionniers de Roentgen, avec les rayons X, et de ceux de HJ Muller, sur l’activité mutagène des rayons X et de la lumière ultraviolette sur la drosophile. Il suffisait de rassembler ces divers faits et découvertes pour produire en laboratoire avec irradiation des souches mutantes nutritionnellement déficientes (auxotrophes) de Neurospora et de montrer que chaque carence produite était associée à la mutation d’un seul gène.
Ayant ainsi testé avec succès avec Neurospora la prémisse de base selon laquelle les processus biochimiques concernés par la synthèse des constituants cellulaires essentiels sont contrôlés par des gènes et altérables en conséquence d’une mutation génique, il semblait alors une étape souhaitable et naturelle de porter cette approche aux bactéries, dans laquelle tant d’exigences naturelles en facteurs de croissance étaient connues, pour voir si des carences nutritionnelles analogues suivaient leur exposition aux radiations. Comme vous le savez tous, les premiers mutants de ce type ont été produits avec succès chez Acetobacter et Escherichia coli, et la première étape a été franchie en amenant la bactérie dans le giron d’organismes adaptés à l’étude génétique. 
Maintenant, pour souligner quelques-unes des curieuses coïncidences ou rebondissements du destin impliqués dans la science : L’une des premières séries de mutants de Neurospora qui a été étudiée intensément du point de vue biochimique était celle qui concernait la biosynthèse du tryptophane. En lien avec le rôle de l’indole comme précurseur du tryptophane, nous avons voulu également étudier le processus inverse, la dégradation du tryptophane en indole, une réaction typique de la bactérie E. coli. A cette fin, nous avons obtenu, du Département de bactériologie de Stanford, une culture typique d’E. Coli, désignée K-12. Naturellement, cette souche a ensuite été utilisée pour les expériences de mutation qui viennent d’être décrites afin qu’une variété de souches mutantes biochimiquement marquées d’E. coli K-12 étaient bientôt disponibles. Il est également intéressant de noter que Mlle Esther Zimmer, qui devint plus tard Esther Lederberg, a aidé à la production et à l’isolement de ces souches mutantes.
Une autre coïncidence intéressante est que FJ Ryan a passé un certain temps en congé de l’Université de Columbia à Stanford, travaillant avec Neurospora. Peu de temps après avoir déménagé à l’université de Yale en 1945, Ryan a encouragé Lederberg, alors étudiant en médecine à Columbia qui avait travaillé quelque temps avec Ryan sur Neurospora , à passer du temps avec moi à l’université de Yale. Comme vous le savez tous, Lederberg a réussi à montrer la recombinaison génétique entre des souches mutantes d’E. Coli K-12 et n’est jamais retourné à l’école de médecine, mais a poursuivi son brillant travail sur la recombinaison bactérienne au Wisconsin. En tout état de cause, la première mise en évidence d’un processus analogue à un processus sexuel chez une bactérie n’a réussi qu’en raison du caractère bien défini des marqueurs génétiques disponibles qui permettaient de détecter cet événement très rare, et en raison du concours de circonstances qui avait fourni ces marqueurs sélectifs dans l’une des rares souches d’E. Coli capable de recombinaison. En résumant cette partie de cette histoire de cas, je souhaite donc seulement souligner à nouveau le rôle de la coïncidence et du hasard joué dans la séquence des développements, mais encore plus fortement pour reconnaître les contributions encore plus importantes de mes amis proches et associés, le professeur Beadle et le professeur Lederberg, avec qui c’est un privilège et un honneur rares de partager ce prix.
Passons maintenant à une brève et nécessairement quelque peu superficielle mention de certains des problèmes et des domaines de la biologie auxquels ces expériences relativement simples avec Neurospora ont conduit et contribué. Mais d’abord, passons en revue les concepts de base impliqués dans ce travail. Ces sont essentiellement :
(1) que tous les processus biochimiques dans tous les organismes sont sous le contrôle du génie ;
(2) que ces processus biochimiques globaux peuvent être résolus en une série de réactions individuelles par étapes ;
(3) que chaque réaction unique est contrôlée de manière primaire par un seul gène, ou en d’autres termes, dans tous les cas, une correspondance I : I du gène et de la réaction biochimique existe, de sorte que
(4) la mutation d’un seul gène n’entraîne qu’une altération de la capacité de la cellule à effectuer une seule réaction chimique primaire.
Comme cela a été dit à plusieurs reprises, l’hypothèse sous-jacente, qui dans un certain nombre de cas a été étayée par des preuves expérimentales directes, est que chaque gène contrôle la production, la fonction et la spécificité d’une enzyme particulière. Les implications expérimentales importantes de ces relations sont que chaque réaction biochimique dans une cellule de n’importe quel organisme, d’une bactérie à l’homme, est théoriquement modifiable par mutation génétique, et que chacune de ces souches de cellules mutantes ne diffère que d’une seule manière primaire de la non- souche parentale mutante. Il est probablement inutile de souligner que ces attentes expérimentales ont été amplement soutenues par la production et l’isolement, par de nombreux chercheurs au cours des 15 dernières années ou plus,….
Cela pourrait procéder par étapes depuis la biosynthèse in vitro d’enzymes meilleures et plus efficaces, jusqu’à la biosynthèse des molécules d’acide nucléique correspondantes, et jusqu’à l’introduction de ces molécules dans le génome des organismes, que ce soit par injection, introduction virale dans les cellules germinales, ou via un processus analogue à la transformation. En variante, il peut être possible d’atteindre le même objectif par un processus impliquant une mutation dirigée.
En tant que biologiste, et plus particulièrement en tant que généticien, j’ai une grande confiance dans la polyvalence du gène et des organismes vivants pour fournir le matériel permettant de relever les défis de la vie à tous les niveaux. La sélection, la survie et l’évolution ont lieu en réponse à des pressions environnementales de toutes sortes, y compris sociologiques et intellectuelles. Dans une perspective plus large, les forces dangereuses et souvent mal comprises et contrôlées de la civilisation moderne, y compris l’énergie atomique et les dangers qui l’accompagnent, ne sont que des défis environnementaux plus complexes et sophistiqués de la vie. Si l’homme ne peut pas relever ces défis, au sens biologique, il n’est pas apte à survivre.
Cependant, on peut espérer avec confiance qu’avec une réelle compréhension des rôles de l’hérédité et de l’environnement, ainsi que l’amélioration conséquente des capacités physiques de l’homme et une plus grande liberté face à la maladie physique, viendra une amélioration de son approche et de sa compréhension des questions sociologiques et problèmes économiques. Comme dans toute recherche scientifique, un problème bien vu est déjà à moitié résolu. Par conséquent, une renaissance peut être prévue, dans laquelle les principaux problèmes sociologiques seront résolus, et l’humanité fera un grand pas vers l’état de fraternité mondiale, de confiance mutuelle et de bien-être envisagé par ce grand humanitaire et philanthrope Alfred Nobel.
Beadle et Tatum
George Beadle était un généticien américain qui a vécu de 1903 à 1989. Il a aidé à fonder le domaine de la génétique biochimique et a remporté le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1958. Edward Tatum était un biochimiste américain qui a vécu de 1890 à 1975. Il a contribué à créer le domaine de la génétique moléculaire et a remporté le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1958 avec George Beadle. Ensemble, ces deux hommes ont formulé l’hypothèse un gène-une enzyme.
Expérience Beadle et Tatum
L’expérience Beadle et Tatum a été menée dans les années 1940. Leur expérience a montré comment les gènes sont responsables de la création d’enzymes dans les organismes vivants qui contrôlent les processus métaboliques. Les enzymes sont principalement des protéines du corps qui accélèrent les réactions chimiques et contribuent aux processus métaboliques. Les processus métaboliques sont des réactions biochimiques qui se produisent dans toutes les cellules vivantes et sont nécessaires au maintien de la vie. Par exemple, la décomposition de molécules complexes d’aliments en unités plus petites pouvant être utilisées par l’organisme est un processus métabolique. Les enzymes aident à décomposer ces molécules en molécules plus simples, telles que le glucose.
Sélection du sujet de test
En 1941, Beadle et Tatum ont mené leur expérience désormais célèbre. Auparavant, Beadle travaillait avec les mouches des fruits depuis plusieurs années. Au cours de ses expériences, il a développé des preuves montrant que des réactions chimiques génétiquement déterminées étaient responsables de caractéristiques telles que la couleur des yeux. Tatum l’a rejoint dans son travail et plus de preuves ont été rassemblées pour soutenir cette théorie. Afin d’étudier plus avant les liens entre la génétique et leurs produits chimiques, Beadle a décidé de passer de la structure génétique complexe de la mouche des fruits à un sujet à la structure génétique plus simple, celle de la moisissure du pain. La moisissure du pain, Neurospora crassa, était connue pour n’avoir qu’un seul ensemble de chromosomes non appariés, ce qui rendait ses modèles génétiques beaucoup plus simples et plus faciles à travailler. De plus, tout changement dans sa constitution génétique apparaîtrait rapidement en raison de son cycle de vie rapide.
Création et croissance de mutants
Beadle et Tatum ont commencé leur expérience en irradiant les spores de moisissure. Ils ont soumis la moisissure à des radiations telles que des rayons X qui ont provoqué la mutation de la moisissure. Ils ont ensuite croisé ces mutants avec des spores de moisissures régulières non irradiées et ont transféré la moisissure dans un milieu complet dans lequel se développer. Le milieu complet contenait un ensemble complet d’acides aminés et de vitamines dont les spores de moisissures avaient besoin pour vivre et se développer. Une fois que ces échantillons de moisissures avaient bien poussé dans le milieu complet, les morceaux ont été retirés et transférés dans un milieu minimal. Cette source de nourriture ne contenait que du sucre, des sels et une vitamine (biotine). La plupart des colonies ont bien poussé sur les milieux complet et minimal. Cependant, quelques échantillons n’ont pas pu se développer sur le support minimal, ce que Beadle et Tatum espéraient. Ces mutants manquaient d’un composant essentiel, tel qu’un acide aminé ou une vitamine nécessaire, et ne pouvaient pas survivre sur le milieu minimal. La question était, que manquaient les spores mutantes ?
Méthodes et résultats
L’étape suivante du processus consistait à trouver l’élément manquant. Tout d’abord, Beadle et Tatum ont cultivé les moisissures mutantes soit sur un support minimal avec tous les acides aminés nécessaires ajoutés, soit sur un support avec toutes les vitamines nécessaires ajoutées. Ils l’ont ensuite décomposé à l’étape suivante. Si la moisissure était capable de se développer avec les acides aminés ajoutés, ils ont ensuite créé divers milieux minimaux avec un seul acide aminé ajouté à chacun jusqu’à ce qu’ils trouvent un milieu dans lequel la moisissure pourrait se développer. La même chose a été faite avec les vitamines.
Edward Lawrie Tatum (1909-1975)
Biochimiste américain dont les recherches ont contribué à créer le domaine de la génétique moléculaire. Il a aidé à démontrer que les gènes déterminent la structure d’enzymes particulières ou agissent autrement en régulant des processus chimiques spécifiques chez les êtres vivants. Avec George Beadle et Joshua Lederberg, il remporte le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1958. Pendant la Seconde Guerre mondiale, ses travaux ont été utiles pour maximiser la production de pénicilline et ont également rendu possible l’introduction de nouvelles méthodes de dosage des vitamines et des acides aminés dans les aliments et les tissus. En 1940, en collaboration avec George Beadle, il avait fait ses études sur la moisissure rose du pain, Neurospora crassa. Ils ont irradié des spores de moules à pain, les ont laissé germer et ont découvert trois souches mutantes qui avaient perdu la capacité de synthétiser des vitamines spécifiques, ce qui implique que dans chaque cas l’enzyme nécessaire était manquante ou non fonctionnelle. Les mutants ne différaient de la normale que par un seul gène, ce qui a montré que des gènes spécifiques déterminent la structure d’enzymes particulières ou agissent autrement en régulant des processus chimiques spécifiques chez les êtres vivants. En 1945, il s’installe à Yale et étend ses techniques aux levures et aux bactéries. Tatum et Lederberg ont découvert la recombinaison génétique chez certaines bactéries (1946).
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1958/tatum/biographical/
https://study.com/learn/lesson/george-beadle-edward-tatum.html
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1958/tatum/lecture/