Biologie numérique: opportunités en classe / mécanismes du virus qui mettent en danger la vie humaine.

Le cheminement de la science mis à nu et accessible : opportunités en classe ?

On dispose avec la cris du COVID19 d’articles et de données scientifiques abondantes, mais pas encore transposées pour l’école dans des ouvrages spécifiques et des moyens d’enseignement. Ils sont plus authentiques et cela peut motiver les élèves, mais peut-être plus difficiles a transposer en classe.
C’est aussi l’occasion de voir la science en marche et comment les savoirs y sont construits.Et distinguer les débats scientifiques d’autres formes de débats et en particulier de l’argument d’autorité.
Le fait que ces données soient librement accessibles aux élèves avec une simple connexion internet représente de belles opportunités  d’activités malgré confinement (les journaux scientifiques les offrent librement en ce moment).
Le désarroi et les incertitudes sont peut-être des occasions de stimuler les élèves avec des applications de la biologie pour comprendre ce qui se passe avec intensité autour d’eux… Et peut-être de débattre de la nature de la science… ce qu’on trouve si rarement le temps de faire ! Quelques pistes plus bas

Par quels mécanismes le virus SARS-Cov2 met-il en danger la vie humaine ?

Wadman et al. (2020) font le point sur ce qu’on sait – et ne sait pas – à propos des mécanismes par lesquels le virus SARS-CoV2  qui cause la maladie COVID-19 met en danger la vie humaine.
What follows is a snapshot of the fast-evolving understanding of how the virus attacks cells around the body.

http://tecfa.unige.ch/calvintranet/wikimg/immuno/covid-19/where-SARS-CoV-2-acts-Science-17IV20.jpg
Figure 1 : On ne sait pas encore si le virus met en danger la vie surtout par ses effets dans les poumons (fig 1, point 1), par une sur-activation immunitaire (tempête cytokine), déploierait ses effets dans le foie ( 1.2), le cœur et les vaisseaux sanguins (1.8) en formant des caillots, en perturbant le système nerveux (1.5) et peut-être le centre cardio-respiratoire du tronc cérébral, le nez (1.7), en perturbant l’odorat, les yeux (1.6), s’il perturberait les reins (1.3) ou même agirait dans l’intestin (1.4) . Source : Altounian, in Wadman et al. (2020)

Ils résument les données de nombreux articles: par exemple. « Sur une série de cas de 214 patients atteints du coronavirus 2019, des symptômes neurologiques ont été observés chez 36,4% des patients et étaient plus fréquents chez les patients présentant une infection sévère (45,5%) selon leur état respiratoire, qui comprenait des événements cérébrovasculaires aigus, des troubles de la conscience et blessure musculaire. »
Mao et al. (2020) Traduction. encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici
Quelques extraits traduits – pour ceux qui préfèrent Molière à Shakespeare – figurent en bas de cette publication.

On voit le ton très prudent de cet article et du résumé de Science qui contraste avec les affirmations tranchées qu’on trouve souvent dans la presse et surtout dans les médias sociaux- on sait que ce qui est plus émotionnellement chargé et surprenant s’y diffuse bien plus (Vosoughi, et al., 2018). encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

On peut y voir aussi la différence entre une question scientifiquement vive et une question socialement et médiatiquement vive, notamment les questions traitées et la différence entre des arguments basés sur les données / leur interprétation VS. une argumentation sur l’autorité (mon spécialiste est plus spécialiste que le tien…) l’aura des personnes, les egos, le ressentiment ou la confiance de la population à l’égard de leurs gouvernement et la périphérie vs la capitale, etc.  Tout cela est important, mais ce n’est pas une validation scientifique des savoirs.
Dans la perspective d’éducation aux sciences, on favorise la première forme de validation des savoirs : celle d’une science idéale, et qu’on vise à faire maitriser par les élèves. On la distingue d’autres formes … « Dans un climat de post-vérité, une opinion forte convainc plus que des faits, précisément en raison de sa force (apparente) »  (Bowell, 2018).
Bien sûr les scientifiques sont des êtres humains et ils ont des opinions influencées par leurs valeurs, leurs appartenances sociales, … et  ne pratiquent pas toujours cette démarche rigoureuse de validation que l’école cherche à développer chez les futurs citoyens; ce n’est pas une raison pour les priver de cette compétence importante. L’école a pour mission d’équiper les élèves de la force qu’apporte chaque discipline  » un regard sur le monde qui va au-delà du sens commun » Astolfi (2018)

La biologie numérique: des opportunités en classe…

Quelques activités qui pourraient être adaptées selon les publics et les styles pédagogiques de chaque enseignant

Une séquence du virus est disponible depuis le 20 janvier auprès du ARTIC Network qui compile des informations sure

La séquence (acides aminés et nucléotides ( les ARN sont indiqués en ADN)    est disponible en entier ici encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine

La structure du virus et d’une protéine cruciale du Virus : Spike

nCoV SARS virion noborders
Fig 2: Schéma de la structure du Virus SARS-CoV2  [img]. Source : ViralZone, SIB

La structure de la protéine Spike


Wrapp, et al. (2020)  ont établi la structure de la protéine Spike en Cryo-EM et l’ont mise à disposition dans une base de donnée librement accessible comme c’est requis pour publier dans les journaux scientifiques comme Science.  encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

  • Wrapp, D., Wang, N., Corbett, K. S., Goldsmith, J. A., Hsieh, C.-L., Abiona, O., Graham, B. S., & McLellan, J. S. (2020). Cryo-EM structure of the 2019-nCoV spike in the prefusion conformation. Science, 367(6483), 1260‑1263. https://doi.org/10.1126/science.abb2507
La structure est librement disponible sur PDB
Figure 4 à droite : Structrure d’ACE2 trouvé dans PDB

On peut la convertir en fichier pour imprimante 3D

La protéine Spike se fixe sur une protéine humaine : ACE2

encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

Quel est le rôle normal de la protéine ACE2 ?

Les élèves ( ou leur enseignant.e) peuvent trouver des éléments de réponse ici :

Où  la protéine ACE2 est-elle exprimée dans le corps humain ?

Les élèves ( ou leur enseignant.e) peuvent trouver eux-même des réponses ici :

http://tecfa.unige.ch/calvintranet/wikimg/immuno/covid-19/ACE2-expression-proteinatlas.jpg
Figure 5 : Degré d’expression pour ACE2 trouvé dans proteinatlas.org

Ne devrait-on pas voir une forte expression de ACE2 dans les voies respiratoires et les poumons ?

C’est un paradoxe qui n’est pas encore résolu comme Proteinatlas le discute ici. Mais un article récent  ici suggère que ACE2 est fortement exprimé dans les voies aériennes supérieures (Sungnak, 2020)

encourage le lecteur à aller vérifier dans l’article d’origine :  ici

ACE-2 est-il présent chez d’autres espèces ?

On peut voir sur « Uniprot », qu’ACE-2 est présent chez de nombreuses espèces tels que la souris, le cheval, le rat ou encore le bovin.

Une question possible pour les élèves :

Comment le modèles des mécanismes de l’évolution vu en classe permet-il d’expliquer a) les similitudes b) le degré de différence comparé entre différentes espèces pour ACE-2 ?

On peut les aider à trouver la trouver la réponse en s’inspirant de ce scénario sur EduTechWiki

Sait-on pourquoi SARS-Cov2 n’attaque pas ces autres animaux ?

On peut discuter les différences de séquence mineures du virus que l’alignement révèle. Jump-to-science n’a pas de réponse claire à cette Q°.


Ces activités sont issues du projet « La bioinformatique transforme la biologie, quelles opportunités pour l’enseignement ? » développé dans le cadre du projet ‘numérique à l’école’ soutenu par le DIP géré par le SEM.
Plusieurs sont déjà sur EdutechWiki. Elles sont encore en développement et tout commentaire est bienvenu (par e-mail)

Et un vaccin ?

les pistes sont décrites ici

Et en français ?

Quelques extraits  de  l’article  de Wadman, et al. (2020)  ici traduits.
http://tecfa.unige.ch/calvintranet/wikimg/immuno/covid-19/where-SARS-CoV-2-acts-Science-17IV20.jpg

Le virus agirait …
Dans les poumons ?
Dans les alvéoles lors de la réaction du système immunitaire  » les globules blancs de première ligne libèrent des molécules inflammatoires (cytokines), qui à leur tour attirent davantage de cellules immunitaires qui ciblent et tuent les cellules infectées par le virus, laissant un amalgame liquides de cellules mortes – du pus. Il s’agit de la pathologie sous-jacente de la pneumonie, avec ses symptômes correspondants: toux; fièvre; et respiration rapide et superficielle (voir fig. 1 point 1). »
Tempête cytokine ?

« Certains cliniciens soupçonnent que ce qui atteint le plus de nombreux patients gravement malades est une réaction excessive et désastreuse du système immunitaire connue sous le nom de «tempête de cytokines» »

Le coeur et les vaisseaux sanguins  ?

 » …d’autres scientifiques se concentrent sur un autre système : le cœur et les vaisseaux sanguins. Une patiente par exemple présentait tous les symptômes classiques d’une crise cardiaque, y compris des signes révélateurs dans son électrocardiogramme et des niveaux élevés d’un marqueur sanguin suggérant des muscles cardiaques endommagés. D’autres tests ont montré un gonflement cardiaque et des cicatrices, et un ventricule gauche – normalement la chambre centrale du cœur – si faible qu’il ne pouvait pomper qu’un tiers de sa quantité normale de sang. Mais lorsque les médecins ont injecté du colorant dans les artères coronaires, à la recherche du blocage qui signifie une crise cardiaque, ils n’en ont trouvé aucun. Un autre test a révélé pourquoi: La femme avait COVID-19.

La façon dont le virus attaque le cœur et les vaisseaux sanguins est un mystère, mais des dizaines de prépublications et de documents attestent que de tels dommages sont courants. Un article du 25 mars dans JAMA Cardiology (Shi, et al.  2020)  a documenté des lésions cardiaques chez près de 20% des patients sur 416 hospitalisés pour COVID-19 à Wuhan, en Chine. Dans une autre étude de Wuhan (Wang, et al., 2020), 44% des 36 patients admis aux soins intensifs souffraient d’arythmies.

Dans le sang ?

« La perturbation semble s’étendre au sang lui-même. Parmi 184 patients COVID-19 dans une unité de soins intensifs néerlandais, 38% avaient du sang qui coagulait anormalement, et près d’un tiers avaient déjà des caillots, selon un article du 10 avril dans Thrombosis Research (Klok, et al., 2020).  […] Les caillots sanguins peuvent se séparer et atterrir dans les poumons, bloquant les artères vitales – une condition connue sous le nom d’embolie pulmonaire, qui aurait tué des patients atteints de COVID-19. Les caillots des artères peuvent également se loger dans le cerveau, provoquant un accident vasculaire cérébral. […] Si COVID-19 cible des vaisseaux sanguins, cela pourrait également aider à expliquer pourquoi les patients présentant des dommages préexistants à ces vaisseaux, par exemple du diabète et de l’hypertension artérielle, font face à un risque plus élevé de maladie grave. »

Dans les reins?

« «Si ces gens ne meurent pas d’insuffisance pulmonaire, ils meurent d’insuffisance rénale», explique la neurologue Jennifer Frontera du Langone Medical Center de l’Université de New York, qui a traité des milliers de patients COVID-19. Le besoin de dialyse peut être dû au fait que les reins, abondamment dotés de récepteurs ACE2, présentent une autre cible virale. Selon une prépublication, 27% des 85 patients hospitalisés à Wuhan souffraient d’insuffisance rénale. »

Dans le système nerveux ?

 » Un autre ensemble frappant de symptômes chez les patients COVID-19 se concentre sur le cerveau et le système nerveux central (Mao, et al. 2020). [… on ] a vu des patients présentant une encéphalite inflammatoire cérébrale, des convulsions et une «tempête sympathique», une hyperréaction du système nerveux sympathique qui provoque des symptômes semblables à des convulsions et est plus fréquente après une lésion cérébrale traumatique. […] Beaucoup déclarent avoir perdu leur odorat. Et […] d’autres se demandent si, dans certains cas, l’infection affecte le réflexe du tronc cérébral qui détecte le manque d’oxygène. Cela expliquerait des observations anecdotiques selon lesquelles certains patients ne sont pas à essoufflés, malgré des niveaux d’oxygène sanguin dangereusement bas. […] Les récepteurs ACE2 sont présents dans le cortex neural et le tronc cérébral, […]. Mais on ne sait pas dans quelles circonstances le virus pénètre dans le cerveau et interagit avec ces récepteurs.

Le tube digestif ?

« un nombre croissant de résultats suggèrent que le nouveau coronavirus, comme son cousin SRAS, peut infecter la muqueuse du tube digestif inférieur, où les récepteurs ACE2 cruciaux sont abondants. »

(Les membres Jump-To-Science peuvent obtenir ces articles…).

Références:

  • Astolfi, J.-P. (2008). La saveur des savoirs. Disciplines et plaisir d’apprendre. ESF.
  • Bowell, T. (2018). Changing the World One Premise at a Time : Argument, Imagination and Post-truth. In M. A. Peters, S. Rider, M. Hyvönen, & T. Besley (Éds.), Post-Truth, Fake News (p. 169‑185). Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-10-8013-5_15
  • Callaway, E. (2020). The race for coronavirus vaccines : A graphical guide. Nature, 580(7805), 576‑577. https://doi.org/10.1038/d41586-020-01221-y
  • Klok, F. A., Kruip, M. J. H. A., Meer, N. J. M. van der, Arbous, M. S., Gommers, D. a. M. P. J., Kant, K. M., Kaptein, F. H. J., Paassen, J. van, Stals, M. a. M., Huisman, M. V., & Endeman, H. (2020). Incidence of thrombotic complications in critically ill ICU patients with COVID-19. Thrombosis Research, 0(0). https://doi.org/10.1016/j.thromres.2020.04.013
  • Mao, L., Jin, H., Wang, M., Hu, Y., Chen, S., He, Q., Chang, J., Hong, C., Zhou, Y., Wang, D., Miao, X., Li, Y., & Hu, B. (2020). Neurologic Manifestations of Hospitalized Patients With Coronavirus Disease 2019 in Wuhan, China. JAMA Neurology. https://doi.org/10.1001/jamaneurol.2020.1127
  • Sungnak, W., Huang, N., Bécavin, C., Berg, M., & Network, H. C. A. (2020). SARS-CoV-2 Entry Genes Are Most Highly Expressed in Nasal Goblet and Ciliated Cells within Human Airways. arXiv preprint arXiv:2003.06122.
  • Shi, S., Qin, M., Shen, B., Cai, Y., Liu, T., Yang, F., Gong, W., Liu, X., Liang, J., Zhao, Q., Huang, H., Yang, B., & Huang, C. (2020). Association of Cardiac Injury With Mortality in Hospitalized Patients With COVID-19 in Wuhan, China. JAMA Cardiology. https://doi.org/10.1001/jamacardio.2020.0950
  • Vosoughi, S., Roy, D., & Aral, S. (2018). The spread of true and false news online. Science, 359(6380), 1146‑1151. https://doi.org/10.1126/science.aap9559
  • Wadman, M., Couzin-Frankel, J., Kaiser, J., Matacic, C.,  (2020, avril 17). How does coronavirus kill? Clinicians trace a ferocious rampage through the body, from brain to toes. Science | AAAS. https://www.sciencemag.org/news/2020/04/how-does-coronavirus-kill-clinicians-trace-ferocious-rampage-through-body-brain-toes
  • Wang, D., Hu, B., Hu, C., Zhu, F., Liu, X., Zhang, J., Wang, B., Xiang, H., Cheng, Z., Xiong, Y., Zhao, Y., Li, Y., Wang, X., & Peng, Z. (2020). Clinical Characteristics of 138 Hospitalized Patients With 2019 Novel Coronavirus–Infected Pneumonia in Wuhan, China. JAMA, 323(11), 1061‑1069. https://doi.org/10.1001/jama.2020.1585
  • Callaway, E. (2020). The race for coronavirus vaccines : A graphical guide. Nature, 580(7805), 576‑577. https://doi.org/10.1038/d41586-020-01221-y
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