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L'étude de ces mutants allait encore conduire à la notion que, chez les bactéries, le matériel génétique est organisé en unités d'activité qui furent désignées sous le nom d'opérons, souvent plus complexes que le gène considéré comme unité de fonction. En effet, le système lactose d'E.coli comprend trois protéines connues et les trois gènes gouvernant la structure de ces protéines se trouvent être adjacents sur un petit segment du chromosome, l'opérateur étant localisé à l'une des extrémités de ce segment. Or, les mutations constitutives, qu'elles soient dues à la détérioration du gène régulateur ou à celle de l'opérateur, présentent toujours la propriété remarquable d'être pléïotropes, c'est-à-dire qu'elles affectent simultanément et au même degré la production des trois protéines. Il fallait donc que le circuit régulateur pût agir sur une structure intégrale contenant l'information qui spécifie la structure des trois protéines. Cette structure ne pouvait être que le DNA lui-même, ou encore un messager commun aux trois gènes. Cette conception fut encore étayée par les propriétés trouvées aux mutations affectant les gènes de structure du système lactose. Alors que certaines de ces mutations obéissent à la règle de Beadle et Tatum « un gène-un enzyme » en ce sens qu'elles abolissent une seule des trois activités biochimiques, d'autres mutations, au contraire, violent cette règle car elles affectent l'expression, non pas d'un seul gène, mais de plusieurs à la fois.

La notion d'opéron, groupement de gènes de structure adjacents dont la régulation est commandée par un opérateur commun, expliquait pourquoi les gènes gouvernant les enzymes d'une même chaîne biochimique ont tendance à rester groupés chez les bactéries, comme l'avaient observé Demerec et Hartman. Elle rendait compte également de la production coordonnée d'enzymes déjà observée dans certaines chaînes de biosynthèse. Si à l'origine, la conception d'opéron se fondait exclusivement sur des critères génétiques, elle se complète aujourd'hui de critères biochimiques. Il existe en effet nombre d'arguments expérimentaux, tant génétiques que biochimiques permettant de penser qu'un opéron produit un messager intégral qui s'associe aux ribosomes pour former la série des chaînes peptidiques déterminées par les différents gènes de structure de l'opéron.

Ainsi parvient-on à se représenter l'activité du génome d'E. coli de la façon suivante. L'expression du matériel génétique exige un flot continu de messagers instables qui dictent aux machines que constituent les ribosomes la spécificité des protéines à produire. Le matériel génétique est formé d'opérons contenant un ou plusieurs gènes, chaque opéron formant un messager intégral. La production de messager par l'opéron est, d'une façon ou d'une autre, inhibée par des boucles régulatrices constituées de trois éléments : gène régulateur - répresseur - opérateur. C'est au niveau de ces boucles qu'interviennent les métabolites spécifiques jouant le rôle de signaux : dans les systèmes inductibles, pour inactiver le répresseur, donc permettre la production de messager et partant de protéines ; dans les systèmes répressibles, pour activer le répresseur, donc inhiber la production de messager et de protéines. Selon ce schéma, seule une fraction des gènes de la cellule peut s'exprimer à chaque instant, les autres restants réprimés. C'est un réseau de circuits spécifiques, génétiquement déterminés, qui choisit à tout moment les segments de DNA qui doivent être transcrits en messagers, donc traduits en protéines, en fonction de signaux chimiques venus du cytoplasme et du milieu.

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Extraits de la conférence Nobel prononcée le 11décembre 1965
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Source : article extrait de La Lettre n° 35 du Collège de France