Une bactérie inoffensive acquiert d'une bactérie morte un caractère qu'elle transmet à sa descendance. Quatre constituants peuvent porter ce caractère. Chacun est détruit tour à tour dans la préparation active, et l'on regarde si l'activité disparaît avec lui.
Streptococcus pneumoniae, ou pneumocoque, est une bactérie responsable de pneumonies chez l'être humain et mortelle pour la souris. Elle se présente sous deux formes, que l'aspect des colonies obtenues en culture suffit à distinguer.
Le caractère est héréditaire dans les deux cas. Cultivée, une souche S donne des bactéries S. Une souche R donne des bactéries R.
Quatre lots de souris reçoivent chacun une préparation différente. Les trois premiers servent de témoins. Ils établissent séparément l'effet des bactéries S vivantes, celui des bactéries R vivantes, et celui des bactéries S tuées par la chaleur. Le quatrième lot associe deux préparations dont chacune, administrée seule, laisse la souris en vie.
Les trois témoins écartent chacun une explication simple. Le deuxième établit que les bactéries R vivantes, seules, ne tuent pas. Le troisième établit que les bactéries S tuées par la chaleur ne tuent pas davantage, et qu'aucune d'elles n'a survécu au traitement thermique. Le quatrième lot ne contient donc, au moment de l'injection, aucune bactérie virulente vivante.
Pourtant la souris meurt, et son sang contient des pneumocoques vivants et capsulés. L'examen sérologique de ces bactéries montre qu'elles sont de type III, celui de la souche tuée, alors que la souche vivante injectée dérivait du type II. Le caractère n'a donc pas été improvisé par les bactéries R : il provient des bactéries mortes.
Mises en culture, ces bactéries capsulées donnent des bactéries capsulées de type III. Le caractère acquis est transmis à la descendance. Il ne s'agit pas d'une modification passagère de l'aspect des bactéries, mais d'une modification héréditaire. Griffith nomme transformation ce passage d'une forme à l'autre.
Un constituant des bactéries tuées confère à des bactéries vivantes un caractère nouveau, précis, et transmis à leur descendance. Ce constituant est appelé principe transformant.
L'expérience de Griffith établit l'existence du principe transformant, mais ne dit rien de sa nature. Or une bactérie tuée par la chaleur reste un mélange de tous ses constituants : protéines, polysaccharides, lipides, acides nucléiques. L'enjeu dépasse la virulence du pneumocoque. Le constituant qui transporte un caractère héréditaire d'une cellule à l'autre est le support matériel de l'information génétique.
De quelle nature chimique est le principe transformant, et comment l'identifier parmi tous les constituants d'une bactérie ?
« Le principe transformant est une protéine » est une hypothèse. Énoncée seule, elle ne dit rien de ce que l'on devrait observer. Elle devient testable dès qu'on lui adjoint ce que l'on sait de la molécule invoquée : ce qui la détruit, ce dont elle est faite, les réactions chimiques qui la caractérisent. L'hypothèse, la molécule candidate avec ses propriétés connues, et la règle qui les relie forment ensemble un modèle hypothétique. Quatre familles de molécules peuvent, en 1944, prétendre au rôle.
Polymère d'acides aminés. Contient du soufre, pas de phosphore. Hydrolysée par la trypsine et la chymotrypsine. Réactions du biuret et de Millon positives. Maximum d'absorption vers 280 nm.
Polymère d'oses. Ni azote ni phosphore. Hydrolysé par une enzyme spécifique du type III. Précipite avec l'antisérum dirigé contre ce type. C'est le constituant qui réalise le caractère transmis.
Chaîne de nucléotides à ribose. Rapport de masse azote sur phosphore voisin de 1,7. Hydrolysé par la ribonucléase. Réaction à l'orcinol positive, qui décèle le ribose. Maximum d'absorption vers 260 nm.
Chaîne de nucléotides à désoxyribose. Même rapport azote sur phosphore que l'ARN. Hydrolysé par la désoxyribonucléase. Réaction de Dische à la diphénylamine positive, qui décèle le désoxyribose. Maximum d'absorption vers 260 nm.
Griffith opérait sur la souris et lisait le résultat sur sa mort. Avery, MacLeod et McCarty transportent la transformation en tube. Des pneumocoques R vivants sont cultivés dans un milieu additionné de sérum et de l'extrait à éprouver, puis la culture est étalée sur milieu solide. Des colonies à surface lisse apparaissent : la transformation a eu lieu. Le type sérologique de ces colonies est vérifié au moyen d'un antisérum dirigé contre le type III.
Ce déplacement autorise à traiter l'extrait de toutes les manières imaginables avant de le tester. Le révélateur est en outre d'une sensibilité extrême : une seule bactérie transformée donne une colonie visible. L'activité est décelée jusqu'à 0,003 microgramme d'extrait purifié, soit une concentration finale d'une partie pour six cents millions.
L'extrait est d'abord purifié. Les pneumocoques S de type III sont tués par la chaleur, leurs constituants solubles extraits, puis les protéines dénaturées au chloroforme et écartées. Le polysaccharide capsulaire est détruit par une enzyme spécifique du type III, l'ARN par la ribonucléase. L'alcool éthylique fait enfin précipiter la matière active sous forme de fibres. Aucune purification ne prouve cependant l'absence totale d'un contaminant. La démonstration ne repose donc pas sur la pureté de la préparation, mais sur des traitements sélectifs : chaque candidat est détruit à son tour dans la préparation active, et l'on observe si l'activité disparaît avec lui.
Conséquence vérifiable. Si le principe transformant est la molécule X, alors l'enzyme qui hydrolyse X abolit l'activité transformante, et toute enzyme qui laisse X intacte la conserve. Chaque épreuve détruit un seul candidat : un seul modèle y attend donc la disparition de l'activité, les trois autres attendent qu'elle demeure. La prédiction qui distingue est toujours celle qui annonce la disparition.
| Épreuve | Une protéine | Le polysaccharide | L'ARN | L'ADN | Résultat observé |
|---|---|---|---|---|---|
| Trypsine et chymotrypsine | activité abolie | conservée | conservée | conservée | la transformation se produit toujours |
| Ribonucléase | conservée | conservée | activité abolie | conservée | la transformation se produit toujours |
| Enzyme du polysaccharide de type III | conservée | activité abolie | conservée | conservée | la transformation se produit toujours |
| Désoxyribonucléase | conservée | conservée | conservée | activité abolie | la transformation ne se produit plus |
| Rapport de masse azote sur phosphore | pas de phosphore | ni azote ni phosphore | voisin de 1,7 | voisin de 1,7 | de 1,58 à 1,75 selon les préparations |
| Réactions caractéristiques et absorption | biuret et Millon positifs, 280 nm | précipitation avec l'antisérum de type III | orcinol positif, 260 nm | Dische positif, 260 nm | biuret et Millon négatifs, Dische positif, orcinol négatif, 260 nm |
Les quatre premières épreuves sont des hydrolyses sélectives. Chacune détruit un seul candidat, et met donc en cause un seul modèle. Les deux dernières ne procèdent pas par destruction, mais par identification de la matière purifiée. Elles séparent les acides nucléiques des deux autres candidats. Elles ne distinguent pas l'ARN de l'ADN, dont le rapport azote sur phosphore et le maximum d'absorption sont les mêmes. Seule la réaction du sucre les sépare : la diphénylamine décèle le désoxyribose, l'orcinol décèle le ribose.
Le modèle de la protéine attendait la disparition de l'activité sous l'action des protéases. La transformation se produit pourtant, sans diminution mesurable : le modèle est réfuté. Le modèle de l'ARN est réfuté de la même façon par la ribonucléase, celui du polysaccharide par l'enzyme spécifique du type III.
Traité par la désoxyribonucléase, l'extrait ne transforme plus rien. Un seul des quatre modèles attendait ce résultat, celui qui désigne l'ADN. Les trois autres attendaient au contraire que l'activité demeure. Cette épreuve ne se contente donc pas d'éliminer un candidat : elle apporte la conséquence propre du modèle survivant.
Les analyses achèvent l'identification. Le rapport de masse azote sur phosphore vaut de 1,58 à 1,75 selon les préparations, autour de la valeur de 1,69 calculée pour l'ADN. Les réactions du biuret et de Millon sont négatives, celle de Dische à la diphénylamine positive, celle à l'orcinol négative. Le maximum d'absorption est à 260 nm. Le sucre est donc du désoxyribose, et non du ribose.
Le principe transformant est de l'ADN. Une molécule d'ADN issue d'une bactérie tuée, entrée dans une bactérie vivante d'une autre souche, y apporte un caractère précis, la capsule de type III, et ce caractère est transmis à toute la descendance. L'ADN porte donc l'information génétique.
Le mécanisme mis en évidence par Griffith porte aujourd'hui le nom de transformation bactérienne : une bactérie intègre à son propre génome de l'ADN présent dans le milieu, provenant d'une bactérie morte. C'est un transfert de matériel génétique entre deux bactéries qui ne descendent pas l'une de l'autre.