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05 Mar 2019
07:00PM -
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Biologie

Une découverte de l'Université de Tel-Aviv sur les pieuvres va faire progresser l'ingénierie génétique

Selon une étude menée par le Prof. Eli Eisenberg de l'École de physique et d'astronomie de l'Université de Tel Aviv, en collaboration avec Joshua Rosenthal, de l'Institut de biologie marine de l'Université de Chicago, les poulpes et les pieuvres savent reprogrammer leur ADN.  Cette découverte est susceptible de fournir de nouvelles connaissances pour contrôler l'information génomique et développer des médicaments contre les maladies génétiques.

OctopusEt si nous pouvions reprogrammer la génétique humaine sans toucher à l'ADN ? Les pieuvres et les poulpes sont des animaux mystérieux, qui exitent la curiosité et possèdent un comportement exceptionnellement sophistiqué. Il se trouve que, outre leurs huit tentacules, leurs trois cœurs et un impressionnant réseau de neurones, ces créatures disposent également d'une intelligence génétique fascinante.

L'étude montre que la pieuvre et le poulpe, qui appartiennent à la famille des coleoïdes (sous-classe des céphalopodes), évoluent différemment de toute les autres créatures, y compris les humains, et modifient elles-mêmes les instructions génétiques qui permettent la production des protéines d'une manière qui leur est unique. En d'autres termes, ils sont capables de se reprogrammer génétiquement.

Un processus de réplication exceptionnel, en échange d'une évolution plus lente

Les cellules de notre corps sont composées de protéines, produites conformément aux instructions inscrites dans l'ADN. L'ADN est une énorme molécule composée d'une chaîne de petites unités. L'organisation spécifique de ces unités, appelée séquence d'ADN compose le code qui détermine la structure des protéines. Chaque molécule d'ADN (chromosome) peut contenir des centaines de milliers de gènes, qui sont des sortes de 'fiches d'instructions' pour la construction de la protéine. Dans la cellule se produit un processus de transcription de l'ADN en molécules similaires nommées ARN qui sont finalement traduites en protéines. Chez la plupart des êtres vivants la séquence des protéines présentes dans les cellules est déterminée sans équivoque en fonction de l'information génétique codée dans l'ADN, qui détermine la structure et la fonction des protéines.

eli eisenbergLes pieuvres et les poulpes ont l'extraordinaire capacité d'effectuer des modifications génétiques en opérant des changements dans les molécules d'ARN de sorte qu'il n'y ai pas de transcription exacte de la séquence génomique. Ainsi peuvent-elles produire une grande variété de versions différentes de la protéine à partir de la même "fiche d'instructions" originale stockée dans l'ADN.

 "Pour préserver ce mécanisme spécial d'édition génétique, le rythme des changements dans le génome des coleoïdes a été considérablement freiné, ce qui signifie le ralentissement du processus d'adaptation de la créature à son environnement ", explique le Prof.  Eisenberg. "Mais les coléoïdes sont prêts à payer ce lourd tribut, en échange des avantages fournis par la flexibilité dans la production de protéines variées à travers leur mécanisme particulier d'édition de l'ARN".

Cette découverte fait des vagues dans le monde et a fait l'objet d'articles dans plusieurs revues scientifiques, et même dans le New York Times. L'observation de la manière dont la pieuvre et le poulpe "programment" l'ARN pourrait fournir aux scientifiques un outil technologique important dans le domaine du génie génétique. Les manipulations de l'ADN peuvent être compliquées et dangereuses, et entraîner des effets secondaires indésirables. Le mécanisme d'édition de l'ARN, par contre, donne aux chercheurs une autre manière, moins dangereuse, d'influencer les protéines dans le corps humain par une sorte "d'ingénierie de l'ARN". On peut penser que dans l'avenir cette méthode puisse être employée pour influencer de manière contrôlée l'information génomique dans le corps humain, et  développer des médicaments contre les maladies génétiques.

 

Les chercheurs de l'Université de Tel-Aviv ont découvert des mutations génétiques clés pour l'agriculture humaine

Une étude novatrice de l'Institut de recherche sur les céréales de la Faculté des sciences de la vie de l'Université de Tel Aviv, dirigée par le Dr. Assaf Distelfeld, a réussi à séquencer le génome du blé, identifiant les mutations génétiques qui ont transformé le blé sauvage répandant ses graines à tout vent en céréale domestique cultivable par l'homme. Selon les chercheurs, l'étude permettra de comprendre d'autres traits essentiels du blé moderne, comme la tolérance à la sécheresse ou la résistance aux maladies et aura un impact significatif sur la sécurité alimentaire mondiale.

blesauvage2La recherche innovante a été réalisée en collaboration avec la société israélienne NRGene, et des laboratoires de pointe en Allemagne, en Italie, au Canada, en Israël et aux États-Unis. Elle a été publiée le 7 juillet dans la prestigieuse revue Science.

La vue d'un champ de blé chargé d'épis mûrs attendant la récolte est l'un des spectacles qui nous semblent les plus naturels et les plus anciens du monde. Ce n'est pourtant pas le cas. En effet, selon les scientifiques, la structure de l'épi de blé dont les graines forment une grappe serrée les uns contre les autres est le résultat d'un processus d'acculturation de la céréale par l'homme avec le développement de l'agriculture, il y a environ 10 000 ans seulement. Cette caractéristique constitue la principale différence entre le blé domestique récolté par l'homme, et son ancêtre, le blé sauvage, dont les épis s'égrenaient et diffusaient leurs semences dans toutes les directions, pour qu'elles germent à une certaine distance les unes des autres après la saison des pluies.

Un "tunnel à remonter le temps"

"D'un point de vue biologique et historique, nous avons créé un 'tunnel à remonter le temps' que nous pouvons utiliser pour étudier le blé tel qu'il existait avant les origines de l'agriculture", déclare le Dr. Distelfeld. "En le comparant avec le blé moderne nous avons pu identifier les gènes précis qui ont permis la domestication, la transition du blé poussant dans la nature vers les variétés modernes. Alors que les grains de blé sauvage tombaient de leur axe et se dispersaient, ceux du blé domestique restent attachées à la tige : la modification de deux gènes explique cette transformation qui a permis aux humains de récolter le blé ".

Assaf Distelfeld mediumLa recherche novatrice a démarré par le décodage du génome du blé sauvage grâce à l'utilisation d'un algorithme mis au point par la société NRGene de Ness Ziona.  "Le génome du blé est considéré comme l'un des plus complexes dans la nature: 17 milliards de composantes de base (nucléotides) pour le blé tendre (utilisé pour le pain) et 12 milliards pour le blé sauvage et le blé dur (qui sert pour les pâtes). Par comparaison, le génome humain n'en compte qu'un demi-milliard", explique le Dr. Distelfeld. "Au cours de la dernière décennie, des chercheurs du monde entier, financés par d'énormes budgets, ont tenté de séquencer le génome du blé, mais leurs résultats restaient incomplets. La technologie de NRGene nous a permis, à l'aide de budgets relativement limités, d'assembler enfin le puzzle du génome du blé sauvage à l'Université de Tel-Aviv".

"Lorsqu'on séquence l'ADN par des technologies conventionnelles, on obtient un grand nombre de séquences d'ADN court d'une longueur de 250 composantes chacune", explique le doctorant Raz Avni, parmi les auteurs de l'étude. Le logiciel de NRGene nous a permis de construire à partir de ces courtes séquences des séquences beaucoup plus longues, de 7 000 000 de blocs en moyenne. Dans notre laboratoire, nous avons cherché à organiser ces séquences longues dans un ordre exact pour construire le génome entier. A cette fin, nous avons développé une "population génétique" composée de  150 éléments descendants de deux parents, le blé de culture et le blé sauvage. Nous avons cartographié cette population au moyen de milliers de marqueurs génétiques, et avons fabriqué à partir d'eux des sortes "d'ancres", qui ont constitué l'ordre d'assemblage des séquences longues. En fin de compte, nous avons reconstruit environ 90% du génome du blé sauvage soit près de 10,5 milliards de composants, contenant 65 000 gènes".

Améliorer les caractéristiques du blé modernepour assurer

la sécurité alimentaire mondiale

Blesauvage1Les chercheurs se sont ensuite interrogés sur le rôle des différents gènes, en particulier de ceux responsables des caractéristiques spécifiques du blé : "Le premier trait que nous avons recherché dans le génome est celui qui différencie le blé domestique du blé sauvage: la réunion des graines en épis, au lieu de leur dispersion", explique le Dr. Distelfeld. "Pour ce faire, nous avons divisé notre population génétique en plusieurs groupes: les plantes ayant hérité de la caractéristique de l'intégration des épis, et celles dont les épis se désarticulent entièrement ou partiellement. Une comparaison entre l'ADN de ces différents groupes a révélé deux mutations spécifiques, qui n'apparaissent que dans le blé aux épis articulés".

Pour vérifier que ces mutations étaient bien celles responsables de l'acculturation du blé au début de l'agriculture, la doctorante Moran Nave a comparé 113 plants de blé sauvage de différentes régions du Moyen-Orient, d'Israël à la Turquie en passant par  l'Iran, l'Irak et la Syrie, et 94 variétés de blé domestique du monde entier. Les résultats ont été concluants: les deux mutations ont été retrouvées dans toutes les souches de blé de culture et dans aucune de blé sauvage.

 "Pour nous, ce n'est que la première étape", conclut le Dr. Distelfeld. "Avec les outils dont nous disposons aujourd'hui, nous pourrons identifier dans le génome du blé également les gènes responsables d'autres fonctions, comme la valeur nutritionnelle, la productivité, la résistance aux ravageurs ou face à l'évolution des conditions climatiques telles que le froid, la chaleur et la sécheresse etc. Ces informations constitueront une base vitale pour l'amélioration future des variétés de blé que l'homme fait pousser, et auront un impact significatif sur la sécurité alimentaire mondiale au 21e siècle".

 

Cet article a été publié sur Siliconwadi.fr sous le titre: "Découverte de l'Université de Tel-Aviv sur les mutations clé pour l'agriculture humaine"

La Faculté des sciences de la vie de l'Université de Tel-Aviv 1ère en Israël et dans le Top100 mondial

L'UTA est la première université en Israël dans les domaines de la biologie et de la biochimie et se classe à la 98e place dans le monde, d’après le classement 2016 du US News and World Report, qui évalue et classe plus de 1000 universités internationales, selon des critères tels que la qualité et la quantité des résultats de recherche ainsi que la réputation globale.

Facultedessciencesdelaviesherman 0L'université de Tel Aviv se classe également au premier rang en Israël parmi les universités de recherche en biologie moléculaire et génétique (et à la 110e place mondiale) ainsi qu'en neurosciences et en sciences du comportement (122e place mondiale). Cette année l'UTA arrive également en tête des universités israéliennes en sciences de la vie dans le classement de Taiwan.

La Faculté George Wise des sciences de la vie est la plus ancienne faculté de l'Université de Tel-Aviv. Connue à l'origine sous le nom d'Institut universitaire des sciences naturelles, axé sur les disciplines biologiques traditionnelles telles que la botanique et la zoologie, elle recouvre aujourd'hui tous les nouveaux domaines des disciplines des sciences de la vie, tels que la biotechnologie et la bio-informatique et  compte plus de 90 laboratoires répartis dans trois bâtiments. Elle comprend en outre un  Jardin botanique, un jardin zoologique de recherche, l'Institut des céréales pour l'amélioration des récoltes et le musée Steinhardt d'histoire naturelle.

"L'interdisciplinarité est dans notre ADN" déclare le Prof. Danny Chamovitz, doyen de la faculté. Nos experts en biologie cellulaire, en mathématiques, en informatique, en nanotechnologie et en écologie travaillent tous ensemble pour découvrir les mécanismes incroyablement sophistiqués qui permettent l'existence de la vie. Et dans toutes nos activités, nous mettons l'accent sur l'excellence, et nous efforçons de maintenir un niveau d'enthousiasme scientifique et de participation qui reflète l'énergie et le dynamisme de la ville de Tel-Aviv".

Une étude de l'Université de Tel-Aviv pourrait apporter une solution à la faim dans le monde

Selon une recherche menée par les Dr. Itay Mayrose, Ayelet Salman-Minkov et Niv Sabath du laboratoire sur l'évolution et la bio-informatique des plantes à l'Université de Tel Aviv, le succès de la domestication des plantes comme le blé, le café etc. est lié aux duplications du génome qui se produisent dans leurs cellules végétales. Une corrélation qui, compte tenu des progrès actuels de la génomique, offre un nouvel espoir pour l'agriculture moderne et l'alimentation de l'humanité.

wheat-580Les résultats de l'étude ont été publiés la semaine dernière dans la prestigieuse revue Nature Plantes.

Une étude de l'Université de Tel-Aviv propose une explication innovante du processus de domestication des espèces agricoles, des siècles après la dernière domestication réussie d'une espèce végétale. La domestication des espèces, c'est-à-dire l'adaptation des espèces sauvages aux besoins humains, a progressivement amené l'apparition de plantes résistantes aux maladies et aux intempéries, possédant une durée de vie prolongée. Ces objectifs deviennent de plus en plus importants avec la croissance de la population et la baisse de quantité des ressources naturelles disponibles.

Depuis le début de la révolution agricole, il y a 13000 ans, l'homme a tenté de cultiver et d'entretenir une énorme variété de plantes pour ses besoins, mais seules quelques-unes ont pu être domestiquées avec succès pour l'agriculture. Depuis des siècles, en dépit de toutes les réalisations scientifiques et technologiques, l'homme n'est parvenu à domestiquer aucune nouvelle espèce.

La clé de la domestication des plantes: la multiplication des copies de leur génome

D'après la nouvelle étude,  les plantes domestiquées avec succès, comme le blé, les pommes de terre, le café ou le sucre, sont plutôt des plantes polyploïdes, c'est-à-dire qui possèdent un patrimoine chromosomique au moins égal au double de la normale.

La plupart des mammifères, y compris les humains, sont "diploïdes", ce qui signifie que leurs chromosomes sont présents par paire. Le génome humain, par exemple, se compose de 23 paires de chromosomes. L'information génétique se trouve dans toutes les cellules du corps humain à l'exception des cellules sexuelles qui contiennent un seul jeu de chromosomes. Mais de nombreuses plantes sont polyploïdes, ce qui signifie qu'elles comportent de multiples copies du génome entier.

mayrose"Dans les plantes polyploïdes nous trouvons des groupes de quatre, six et même huit chromosomes", explique le Dr. Mayrose. "Depuis un siècle les chercheurs tentent de comprendre la signification de ce phénomène sur le plan de l'évolution, mais en dépit de nombreuses spéculations et recherches, la question de la polyploïdie reste ouverte sur le plan scientifique. Nous ne comprenons pas clairement les avantages évolutifs de la transmission de copies supplémentaires de l'information génétique, ni pourquoi les plantes investissent l'énergie nécessaire à cette reproduction génomique pour leur survie ".

Le Dr. Mayrose et son équipe ont déjà montré par le passé que les plantes polyploïdes reproduisent leur information génétique en réponse au stress, essentiellement le stress environnemental. "Lorsque qu'une plante est danger, elle reproduit ses chromosomes" explique le Dr. Mayrose. "Les chromosomes supplémentaires permettent d'élargir la gamme de l'héritage génétique, puisque chaque copie du gène peut se différencier en sous-fonctions différentes. C'est une tentative désespérée de la plante, qui dans la plupart des cas échoue, d'adapter ses descendants à l'environnement".

Pourtant, il s'avère que cans un cas au moins, cette stratégie est payante: dans celui de la domestication humaine. Le laboratoire informatique du Dr. Mayrose a construit une base de données d'une infinité de groupes de plantes et de leurs données génomiques, et développé un algorithme de calcul capable d'identifier les plantes qui ont subis une duplication génétique au cours de leur évolution depuis 20 millions d'années, c'est-à-dire sont devenues polyploïdes.

Un outil pour domestiquer de nouvelles espèces

"Lorsque nous avons croisé toutes ces données avec la liste de plantes que l'homme a domestiqué, nous avons trouvé une connexion claire", explique le Dr. Mayrose. " 30% des espèces domestiquées par l'homme ont subi une duplication de leur génome, incidence significativement plus élevée que celle des plantes dans la nature. C'est vrai pour les plantes telles que le blé, la pomme de terre, la patate douce, le café, le sucre, les arachides, les fraises, le coton, le tabac, et la liste est longue ".

Selon les chercheurs, ces résultats jettent une lumière nouvelle sur la révolution agricole. "La multiplicité des chromosomes de ces végétaux a permis à l'homme de jouer avec les caractéristiques de la plante et d'en tirer le meilleur pour leurs besoins. Bien sûr, cela ne signifie pas que nos ancêtres étaient capables de distinguer entre les plantes ayant subi une duplication génomique et les autres. L'homme a tenté de domestiquer les plantes au hasard, et ces expériences ont réussi le plus souvent avec les plantes polyploïdes. Ou peut-être est-ce juste le contraire: ce sont peut-être justement les tentatives de domestication par l'homme qui ont provoqué un stress environnemental sur les plantes, qui les a conduits à un doublement du génome et a permis à l'homme d'en jouer avec succès. Nous ne savons toujours pas quelle est la cause et quelle est la conséquence ".

En plus des conclusions historiques, la nouvelle étude du Dr. Mayrose et son équipe a également des implications pour l'avenir de la domestication, et peut-être l'avenir de l'alimentation humaine. "Au cours de ces derniers siècles, nous n'avons réussi à domestiquer aucune nouvelle espèce. Notre recherche suggère qu'on peut ajouter un nouvel outil à la domestication moderne: la duplication génomique. Aujourd'hui, nous savons dupliquer le génome et faire en sorte que  les plantes devenir polyploïdes artificiellement, ce qui signifie qu'il sera possible de domestiquer de nouvelles espèces et d'améliorer les plantes domestiques ".

Une découverte de l'Université de Tel-Aviv va permettre de révolutionner l'agriculture et de renforcer la sécurité alimentaire mondiale

Un groupe de recherche dirigé par le Prof. Nir Ohad, du Département de biologie moléculaire et d'écologie des plantes, directeur du Centre Manna pour la sûreté et la sécurité alimentaire de l'Université de Tel-Aviv, en collaboration avec l'équipe du Prof. Ralf Reski, chef du Département de biotechnologie des plantes à l'Université de Fribourg en Allemagne, a isolé un gène qui active le mécanisme de la multiplication végétative des plantes. Cette découverte,  qui jette la lumière sur la transition évolutive des espèces marines vers les espèces terrestres est également susceptible de révolutionner l'agriculture et de renforcer de manière significative la sécurité alimentaire dans le monde.

manna lab newLes résultats de l'étude, qui a démarré il y a une décennie, viennent d'être publiés dans la revue Nature Plants.

« D'une manière générale, on distingue la reproduction sexuée et la multiplication asexuée, dite aussi végétative pour les plantes », explique le Prof. Ohad. « Dans le cas de la reproduction sexuée, deux gamètes s'unissent pour créer la prochaine génération. La "logique" de l'évolution a conduit à la formation de descendants différenciés, chacun adapté à son environnement de manière un peu différente. Cette variabilité assure la survie. Si nous étions tous identiques, la survenue d'une situation nouvelle pourrait éliminer toute l'espèce. D'un autre côté, il n'est pas toujours possible de trouver un partenaire pour la reproduction sexuelle. Mais la nature a prévu cet écueil : ne plante qui pousse dans un environnement où la pollinisation est difficile, par exemple, pourra quand même produire des descendants identiques à lui s'il possède un mécanisme primaire de reproduction asexué. Il s'agit d'un genre de sauvegarde évolutive de la plante ».

Une reproduction sans fécondation

C'est une telle plante, une mousse de type Physcomitrella patens qui a été choisie comme modèle pour cette étude par les chercheurs. Au moyen de l'expression d'un  gène isolé, nommé Bell1, dans les tissus de la plante, ils lui ont fait produire des embryons à l'extérieur de son système de reproduction, dans un tissu analogue à ses "tiges". Ces embryons, identiques les uns aux autres, ont eux-mêmes grandi et produit leur propre progéniture fertile.

Nir Ohad« Nous avons réussi à isoler un gène particulier, que nous recherchions depuis très longtemps chez toute sorte de plantes » explique le Prof. Ohad. « En exprimant ce gène, nous avons contourné la nécessité du processus de reproduction et du système reproducteur, et nous avons fait en sorte que la plante créé sa prochaine génération de façon indépendante et sans fécondation. Le gène que nous avons identifié fait partie du système épigénétique de la plante, mécanisme responsable de l'expression des gènes en fonction de leur emplacement et de leur environnement interne et externe. Métaphoriquement, le système épigénétique peut être comparé à la cantillation des voyelles dans la Bible: il ne modifie pas ce qui est écrit, dans ce cas, le code génétique, mais indique comment il faut le lire et l'interpréter. En exprimant le gène Bell1 dans la plante nous avons fait en sorte qu'elle active son code génétique, peut-être de la même manière qu'elle le fait en situation naturelle dans des conditions de stress, qui la font se reproduire sans partenaire ».

Un potentiel nutritionnel et économique énorme

Les chercheurs espèrent que cette nouvelle étude constituera une percée pour la compréhension de la formation des embryons sans fécondation. Selon le Prof. Ohad,  nous avons encore beaucoup à apprendre sur le processus par lequel, au cours de l'évolution les embryons sont passés par un mécanisme de division d'une cellule unique au corps multicellulaire qui caractérise toutes les plantes terrestres d'aujourd'hui. « Sur le plan scientifique, nous savons encore peu de chose sur la multiplication asexuée et la transition vers la reproduction sexuée. C'est la clé pour la compréhension du début de la vie.»

En outre, la compréhension du mécanisme qui sous-tend la multiplication végétative asexuée pourra permettre d'activer un processus similaire chez les plantes de culture, et de produire des graines de plantes sélectionnées sans utiliser les cellules sexuelles. Ainsi pourra-t-on parvenir à une reproduction rapide de ces plantes, ainsi qu'à leur stockage et leur distribution aux agriculteurs par des moyens simples et à faible coût.

C'est le rêve des producteurs de semences», explique le Prof. Ohad. « La duplication génétique naturelle, par la plante elle-même, est l'enjeu de l'agriculture, car elle permet une uniformité. Les entreprises semencières investissent du temps et de l'argent pour créer et améliorer des souches modèles, possédant les caractéristiques et les paramètres nutritionnels souhaités, et produisant des plantes résistantes aux maladies, des fruits goûteux etc. Ce sont ces espèces que nous voulons dupliquer sans utiliser de cellules sexuelles. Le potentiel nutritionnel et économique est énorme. La création de semences identiques permettra de les préserver à long terme, de les commercialiser et les distribuer aux agriculteurs facilement et à moindre coût, renforçant ainsi de manière significative la sécurité alimentaire dans le monde ».

Ont également participé à l'étude les Dr. Aviva Katz et Idan Pereman de la Faculté des Sciences de la vie de l'Université de Tel Aviv, le Dr. Eva Decker de l'Université de Fribourg et sa doctorante Nelly Horst.

 

Cet article est paru sur Siliconwadi sous le titre: "Une découverte israélienne va révolutionner l'agriculture mondiale"