Étudier une réaction de PCR à l'aide de documentsBac - Raisonnement sur document

Sur une scène de crime, une méthode d'analyse a permis de récolter quelques cellules supposées être celles du coupable, sous les ongles de la victime. Pour pouvoir être exploité, cet ADN doit être présent en quantité largement supérieure à celle qui a été trouvée sous les ongles de la victime.

À l'aide des documents, montrer qu'il existe une méthode, la technique PCR, qui permet, d'obtenir des quantités importantes en ADN à partir d'un prélèvement pauvre en ADN.

Document 1

La technique PCR (Polymerase Chain Reaction)

La technique PCR est basée sur le principe de la réplication de l'ADN, à l'aide de l'ADN polymérase extraite de bactéries résistantes aux hautes températures.

Dans un premier temps (1), l'ADN initial (un exemplaire unique) est placé dans un appareil nommé thermocycleur, contenant un milieu porté à 95 °C. L'ADN bicaténaire va alors se dissocier et les deux brins complémentaires se séparent.

La deuxième phase (2) s'effectue à 60 °C environ. Les deux brins séparés sont hybridés avec des petits morceaux d'ADN qui servent d'amorce à partir desquelles la polymérase pourra accomplir son travail.

La phase suivante (3) s'effectue à 72 °C. C'est au cours de cette phase que les ADN-polymérases présentes vont assurer la fabrication des brins complémentaires aux brins d'ADN initiaux.

Au terme de cette étape, il y a donc maintenant deux molécules d'ADN bicaténaires présentes, identiques à la molécule initiale (ou plus si, au départ, il y a plus qu'une seule molécule) : la quantité d'ADN a été doublée.

Ce premier cycle étant terminé, un nouveau cycle reprend, les brins d'ADN étant séparés, puis de nouveaux brins fabriqués, etc.

Un cycle dure approximativement 15 minutes.

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© Wikimedia Commons

Document 2

Quelques chiffres à propos de l'ADN

Dans chaque cellule humaine, avant réplication, il y a approximativement 3,5 pg d'ADN.

1 pg d'ADN représente environ 1 000 Mpb (1 000 millions de paires de bases).

Le seuil de détection de l'ADN dans la méthode utilisée est voisin de 1 ng/mL.

Compte tenu du volume de milieu à mettre en œuvre, il faut donc disposer d'environ 1 ng d'ADN.

La quantité prélevée ne suffit donc pas, d'où la nécessité d'utiliser la PCR, qui « amplifie » les molécules d'ADN récoltées.

Au cours de quelle phase s'effectue normalement la réplication de l'ADN ?

La métaphase

La prophase

La phase G2

La phase S

C'est au cours de la phase S que s'effectue normalement la réplication de l'ADN.

Quelle est, en paires de bases, la taille approximative du génome d'une des cellules récoltées ?

285 millions de pb

3,5 milliards de pb

35 millions de pb

0,285 millier de pb

Si 1 000 Mpb (= 1 000 000 000 pb) ont une masse de 1 pg, alors 3,5 pg représentent environ 3,5 milliards de pb.

Combien faudrait-il approximativement de cellules telles que celles qui ont été récupérées sous les ongles de la victime pour atteindre le seuil de détection de l'ADN par la méthode utilisée ?

35 000 000

3 500

28 600

286

Le seuil de détection est de 1 ng/mL, soit 1 000 pg/mL. Chaque cellule contient 3,5 pg d'ADN. Dans un mL il en faudra donc \text{1 000}/3{,}5 = 286 environ.

Avec la technique PCR, en imaginant que le rendement soit de 100 %, combien de molécules d'ADN peuvent être obtenues à partir d'une molécule initiale au bout de 15 cycles ?

8 192

30

32 768

225

Au terme de chaque cycle, la quantité d'ADN a été doublée. Le nombre de molécules obtenues à partir d'une molécule initiale est donc 2n.

Après 15 cycles, il y aura donc 215 molécules d'ADN, à partir d'une molécule initiale, soit 32 768.

En combien de temps sera-t-il possible d'obtenir, à partir d'une unique cellule récoltée sous les ongles de la victime, suffisamment d'ADN pour dépasser le seuil de sensibilité de la méthode de détection choisie ?

2 h 15 min

24 h 15 min

12,5 min

4 h 25 min

Il faut au moins 286 exemplaires de l'ADN contenu dans une seule cellule (chaque cellule contenant 3,5 pg d'ADN) pour atteindre le seuil de détection (1 ng/mL).

Il faut au moins 9 cycles de PCR : il y aura alors 512 exemplaires de ces molécules (8 cycles ne suffisent pas, il n'y aurait que 256 exemplaires des molécules).

Un cycle durant 15 minutes, il faut 9 \times 15 = 135 \text{ minutes}, soit 2 heures et 15 minutes.

Comme l'indique le document 1, la technique de PCR méthode est basée sur l'activité des enzymes qui assurent normalement la réplication de l'ADN. Cette opération se déroule normalement lors de la phase S du cycle cellulaire. Elle permet, grâce à un mécanisme semi-conservatif, de faire des copies des molécules d'ADN. Les enzymes, ADN polymérases, se fixent sur les molécules d'ADN présentes et séparent les brins de l'ADN tout en synthétisant des brins nouveaux qui leur sont complémentaires. Lorsque le processus est entièrement achevé, les molécules d'ADN ont été copiées et sont alors présentes en double exemplaire. Ce phénomène est ici utilisé pour faire des copies des molécules d'ADN d'un milieu réactionnel. L'alternance des phases de températures permet de séparer les brins des molécules d'ADN, puis de reconstituer des brins complémentaires aux brins qui ont été séparés. Au terme de chaque cycle, la quantité d'ADN a donc doublé et, en supposant une quantité initiale de q pg d'ADN, il y aura, au bout de n cycles, une quantité de q x 2n molécules d'ADN.

Le document 2 permet de calculer qu'en disposant initialement de 3,5 pg d'ADN (équivalent d'une cellule), il faut que se déroulent 9 cycles afin d'obtenir une quantité suffisante pour atteindre le seuil de détection par la méthode choisie. En effet, ce seuil est de l'ordre de 1 ng/mL, soit 1 000 pg. Il faut donc \text{1 000}/3{,}5 = 286 exemplaires de l'ADN initial, et cela n'est atteint qu'après au moins 9 cycles de PCR (il y en aura même davantage, mais après 8 cycles seulement, la quantité serait encore insuffisante). Un cycle durant 15 minutes environ, cela signifie qu'il faut une durée totale voisine de 2 h 15 pour disposer de suffisamment d'ADN pour la méthode choisie. 

Il existe donc, avec la PCR, une méthode rapide (elle fonctionne en quelques heures seulement) pour disposer de quantités d'ADN exploitables à partir de prélèvements d'ADN très petits, tels que ceux qui peuvent être récupérés sur une scène de crime.