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Cycle et niveau de classe
Lycée, Première, Enseignement de spécialité
Prérequis
- Cycle 4
AFC : Mettre en relation différents faits et établir des relations de causalité pour expliquer la diversité génétique des individus.
CCA : Relier, comme des processus dynamiques, la diversité génétique et la biodiversité. ADN, mutations, brassage, gène, méiose et fécondation.
- Seconde
Scénario 1 - Démarche avec stratégie de modélisation - un modèle mathémathique
Objectifs de la séance
Pratiquer des démarches scientifiques (expérimenter, raisonner avec rigueur, modéliser) pour comprendre le principe et les intérêts de la PCR.
Compétences et capacités travaillées
- Concevoir et mettre en oeuvre des stratégies de résolution
- Interpréter des résultats et en tirer des conclusions
- Communiquer sur ses démarches
Présentation de la séance
Le scénario propose un questionnement différencié en trois parties.
1ère partie : les élèves doivent élaborer une stratégie qui permet d'amplifier un fragment d'ADN et de comprendre ainsi le principe de la PCR. Un document ressource est fourni pour cette étape.
2ième partie : les élèves mettent en oeuvre le protocole PCR
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3ième partie : Interprétation des résultats
Exemples de consignes
Situation de départ
Depuis 1990, la PCR (polymérase chain reaction) a révolutionné la biologie moléculaire et s’est implantée très rapidement dans les laboratoires. Ses intérêts touchent divers domaines de la biologie : détection de gènes mutés et de maladies génétiques, détection d’infections bactériennes ou virales, évolution des espèces...
On cherche à comprendre comment se réalise une PCR et à discuter de la fiabilité des résultats.
Consigne 1
| Capacités | Questions |
| Concevoir et mettre en oeuvre des stratégies de résolution |
À partir du document ressource 1 proposer un protocole qui, à partir de n fragments initiaux permettrait d’obtenir Xn séquences identiques. Mettre en œuvre le protocole PCR. |
| Communiquer sur ses démarches | Exploiter l’ensemble des documents fournis et des résultats obtenus pour interpréter les résultats de l’électrophorèse. |
Consigne 2
| Capacités | Questions |
| Concevoir et mettre en oeuvre des stratégies de résolution |
À partir du document ressource 1 proposer un protocole qui, à partir de n fragments initiaux permettrait d’obtenir Xn séquences identiques. Sur un tableur réaliser une programmation des cellules permettant d’évaluer le nombre de copies d’ADN au bout de 6 cycles de PCR pour 1 brin initial, pour 10 brins initiaux et pour 50 brins initiaux. Mettre en œuvre le protocole PCR |
| Communiquer sur ses démarches | Exploiter l’ensemble des documents fournis et des résultats obtenus pour interpréter les résultats de l’électrophorèse. Utiliser le document ressource 2 pour discuter de la validité de ces résultats. |
Scénario 2 - Démarche biotechnologique
Si la PCR n'a pas été abordée dans le cadre de la réplication de l'ADN (scénario 1) on peut l'introduire dans la partie "l'histoire humaine lue dans dans génome" avec une démarche plus biotechnologique.
Il ne s’agit pas ici de réaliser la totalité de la démarche biotechnologique mais de montrer une autre approche de la démarche utilisée habituellement en SVT et d’initier une réflexion originale.
- Étapes de la démarche biotechnologique
- Analyse du besoin
- Cahier des charges fonctionnel
- l’avant projet
- Analyse de la réalisation
- La réalisation
- L’utilisation, l’évaluation
Informations complémentaires
Au milieu des années 1980 les premiers travaux sur l’ADN ancien ouvrent un nouveau champ disciplinaire montrant que de l’ADN peut se conserver pendant plusieurs centaines voire plusieurs milliers d’années. Cependant il ne se conserve pas sans dommages : l’ADN d’un fossile se dégrade fortement avec le temps, et les probabilités de contamination sont fortes. (La température est un facteur aggravant la dégradation).
Les biologistes qui travaillent sur l’ADN ancien se concentrent sur l’ADN mitochondrial, transmis par la mère. Il est plus facile d’accès car présent en centaines d’exemplaires dans chaque cellule et plus facile a analyser précisément parce qu’il suit ̀ une seule lignée.
Mais en s’attachant a ̀ cette seule lignée maternelle, l’ADN mitochondrial raconte une histoire qui n’est pas forcément représentative de celle des autres régions du génome.
En 2004, David Serre, alors à l'Institut Max Planck de Leipzig, et ses collègues ont mis au point une procédure qui amplifie spécifiquement l’ADN mitochondrial de Néandertaliens en utilisant des « amorces » de PCR exclusivement présentes dans des séquences géniques néandertaliennes.
Puis Svante Pääbo de l’Institut Max Planck, réalise des séquençages l’ADN génomique ancien et en 2010 la séquence presque complète du génome de Neandertal est publiée à partir de l’étude de nombreux fossiles dont certains âgés de 400 000 ans.
- https://theconversation.com/svante-paabo-neandertal-denisova-et-la-saga-de-ladn-ancien-99190
- https://www.franceinter.fr/emissions/l-edito-carre/l-edito-carre-27-septembre-2018
Exemple de consigne
Situation de départ
L’ADN est une molécule organique facilement dégradée au cours du temps. Elle se dégrade d’autant plus vite que la température est élevée (climats chauds). Les fossiles contiennent donc très peu d’ADN et cet ADN est mal conservé.
Peu de fragments sont découverts : dans la grotte de l’Altaï en Sibérie, deux phalanges seulement ont été découvertes dans lesquelles de l’ADN ancien a pu être extrait.
Matériel :
PCR : thermocycleur - électrophorèse et matériel nécessaire à leur réalisation
KIT : il n'existe pas de Kit correspondant à cette situation, mais on peut utiliser les kits suivant et montrer l'amplification possible de l'ADN nécessaire à son étude.
- Sordalab : Réalisation d'une PCR / ref : PCRREA
- Jeulin : Kit PCR Principe d'amplification de l'ADN par PCR / Ref : 117 127
| Capacités | Questions |
| Concevoir et mettre en oeuvre des stratégies de résolution | Justifier l’utilisation de la PCR pour l’étude des génomes anciens À partir du document ressource 1 proposer cahier des charges fonctionnel qui permettrait d’obtenir Xn fragments initiaux. Mettre en œuvre le protocole PCR |
| Interpréter des résultats et en tirer des conclusions | Exploiter les résultats obtenus et l’ensemble des documents (technique de séquençage, arbres phylogénétiques basés sur des données moléculaires) pour justifier l’utilisation de la PCR dans ce domaine de la science et discuter à partir du document ressource 2 la fiabilité des résultats obtenus. |
Scénario 3 - Démarche biotechnologique
Si la PCR n'a pas été abordée dans le cadre de la réplication de l'ADN (scénario 1) on peut l'introduire dans la partie "Variation génétique bactérienne et résistance aux antibiotiques" avec une démarche plus biotechnologique. Voir scénario 2
Informations complémentaires
L'identification de bactéries en microbiologie peut se faire par PCR. Par rapport aux tests qui demandent une mise en culture de 24 à 48h, des tests rapides comme la PCR permettent de gagner du temps (moins de 3 heures). Ainsi les médecins peuvent identifier le germe responsable pour choisir un traitement AB adapté ou simplement de voir si l'infection est virale ou bactérienne.
Ressources :
Exemple de consigne
Situation de départ
L'identification de bactéries en microbiologie peut se faire par PCR. Par rapport aux tests qui demandent une mise en culture de 24 à 48h, des tests rapides comme la PCR permettent de gagner du temps (moins de 3 heures). Ainsi les médecins peuvent identifier le germe responsable pour choisir un traitement AB adapté ou simplement de voir si l'infection est virale ou bactérienne.
Matériel :
PCR : thermocycleur - électrophorèse et matériel nécessaire à leur réalisation
KIT : Kit de séquençage d’une résistance aux antibiotiques (Jeulin)
| Capacités | Questions |
| Concevoir et mettre en oeuvre des stratégies de résolution |
Justifier l’utilisation de la PCR pour les analyses médicales.
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| Interpréter des résultats et en tirer des conclusions | Exploiter les résultats obtenus et l’ensemble des documents pour justifier l’utilisation de la PCR dans ce domaine de la science et discuter à partir du document ressource 2 la fiabilité des résultats obtenus. |
Remarque : Pour les élèves suivant un enseignement de spécialité mathématique, NSI ou pour ceux qui seraient intéressés par de la programmation, on peut leur proposer de réaliser un algorithme d’une PCR et de le programmer sur Python.
