La lyophilisation a transformé l'ADN d'un mammouth laineux en un "chromoglass" en 3D

Le bœuf séché et certains mammouths laineux ont au moins une chose en commun : le séchage transforme leur ADN en verre super résistant.

Cet ADN vitreux est si stable qu'il a préservé la structure tridimensionnelle des chromosomes d'un mammouth laineux pendant 52 000 ans, les chercheurs rapportent le 11 juillet dans Cell. La découverte a donné aux chercheurs un aperçu sans précédent du livre d'instructions génétiques de l'animal éteint, ou génome, révélant même des gènes qui étaient activés et désactivés avant que le mammouth ne décède, explique la génomiste et neuroscientifique Cynthia Pérez Estrada. Si d'autres échantillons bien conservés peuvent être trouvés, des aperçus de l'activité génique pourraient aider les scientifiques à comprendre comment les organismes éteints fonctionnaient, pas seulement comment ils étaient.

L'enquête détaillée sur le génome du mammouth a été rendue possible après qu'une équipe internationale de scientifiques ait découvert comment adapter une technique appelée Hi-C pour examiner de l'ADN ancien.

« Je connaissais le Hi-C depuis un moment maintenant. Je n'ai simplement jamais pu penser à un moyen de l'appliquer à de l'ADN ancien », explique Christina Warinner, archéologue biomoléculaire à l'université Harvard, qui n'a pas participé à l'étude.

C'est parce que l'ADN s'effrite au fil du temps. Il était difficile d'imaginer que les minuscules morceaux d'ADN ancien pouvaient conserver la forme des chromosomes, explique Warinner. Et le Hi-C, qui est utilisé pour examiner la structure 3D de mètres d'ADN emballés dans le noyau d'une cellule, nécessite généralement des échantillons frais et intacts.

Même les collègues de Pérez Estrada, qui travaillent sur la structure 3D de l'ADN à la faculté de médecine Baylor à Houston, n'étaient pas convaincus que de telles techniques pourraient fonctionner sur des échantillons dégradés. Pérez Estrada pensait que cela était possible, alors elle a testé le Hi-C sur des os de dinde restant après le repas de Thanksgiving, sur des tissus d'une souris morte trouvée sur le trajet pour se rendre au travail, et sur un morceau de cuir de son sac.

« Toutes ces expériences étaient fascinantes, car elles ont en fait montré que la structure de l'ADN est assez résiliente », dit-elle. « Malgré la cuisson, le soleil et l'environnement en parlant de la souris, la structure de l'ADN était toujours là. »

Mais elle ne savait pas si la structure pouvait résister pendant des milliers d'années. Alors elle s'est associée à Marcela Sandoval-Velasco, alors à l'université de Copenhague. Sandoval-Velasco travaillait sur l'ADN ancien depuis des années et était intéressée à sonder les structures en 3D. Elle a apporté « une poche pleine de merveilles » - des spécimens de musée de fourmis, d'abeilles, de coelacanthes, de poissons, de reptiles, d'oiseaux et d'animaux - à Houston pour des tests, dit Perez Estrada. Et Pérez Estrada a visité Copenhague, où les chercheurs ont sondé des crânes anciens d'ours polaires et un loup momifié.

Les expériences ont souvent échoué. La méthode Hi-C utilisée sur des échantillons frais ne fonctionnait pas pour des échantillons anciens, donc une nouvelle version — qu'ils ont appelée PaleoHi-C — devait être inventée. C'est ça, la recherche, dit Sandoval-Velasco, qui est maintenant à l'université nationale autonome du Mexique à Cuernavaca. « Ça va lentement. C'est itératif. C'est plein d'échecs, et c'est une question de ne pas abandonner. » Le travail d'équipe aide aussi, dit-elle. Plus de 50 scientifiques aux domaines d'expertise variés se sont réunis pour l'étude.

Après des années de succès partiel et d'échec, l'équipe a eu accès à la peau de la tête d'un mammouth laineux décédé en Sibérie il y a environ 52 000 ans. Le mammouth avait été lyophilisé et conservé dans le permafrost.

Le séchage rapide avait bloqué l'ADN ancien dans un état moléculaire serré similaire à celui du verre, appelé chromoglass. Les généticiens et une équipe de physiciens théoriques ont déduit que la structure chromoglass empêchait les morceaux d'ADN de s'éloigner les uns des autres.

Dans des expériences non conventionnelles avec du jerky de bœuf fabriqué en laboratoire, l'équipe a découvert que cet ADN vitreux pouvait rester stable pendant au moins un an à température ambiante et résister à diverses insultes, y compris être laissé tomber, écrasé par une voiture, frappé par une balle rapide et soumis à une fusillade.

L'ADN vitreux du mammouth a maintenu ses chromosomes en place. Pour la première fois, les chercheurs ont pu compter le nombre de chromosomes qu'un mammouth possède — 28 paires, tout comme les éléphants, Erez Lieberman Aiden, généticien à la faculté de médecine Baylor, a déclaré lors d'une conférence de presse le 2 juillet. Les mammouths ont également la même structure chromosomique de base que les éléphants.

Les chromosomes fourrés dans le noyau ressemblent à une pelote de laine après que le chat ait joué avec. L'apparence chevelue ne révèle pas la structure soigneusement orchestrée à l'intérieur.

Les gènes activés sont déplacés vers un compartiment subcellulaire comme des danseurs prenant la piste de danse, tandis que les gènes qui seront désactivés sont relégués au rang de mur dans un autre compartiment. En examinant les compartiments, les chercheurs ont trouvé 425 gènes actifs chez les mammouths mais pas chez les éléphants et 395 gènes activés chez les éléphants mais pas chez les mammouths.