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Mots-clés : biotechnologies, biologiemoléculaire, débatsbio

Définition des biotechnologies

les biotechnologies sont « l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants et à d’autres matériaux vivants ou non vivants, pour la production de savoir, biens et services » (OCDE)
En général, cela se fait en créant ou modifiant une protéine qui va servir d’usine pour réaliser une fonction.

L’avantage des biotechnologies par rapport aux autres technologies

L’utilisation des biotechnologies présente plusieurs avantages :

• Une capacité de réplication naturelle
• La grande rapidité des réactions cellulaires qui est due à un rapport surface/volume élevé qui favorise le transport rapide dans la cellule.
• La possibilité de partir d’une base existante (le résultat de la sélection naturelle) pour ensuite cherche à l’améliorer
• Et donc en particulier la capacité de produire des matériaux biologiques (plus facilement que si on partait de zéro)

Les facteurs qui influencent la production industrielle

Il existe plusieurs facteurs qui influencent la production industrielle :

• L’accès aux matières premières (le prix des matières premières représente parfois plus de 30 % d’un produit issu des biotechnologies)
• La réglementation et les brevets
• La sécurité des applications industrielles (agents pathogènes, risques OGM comme la recombinaison virus/genome, impact des plantes transgéniques sur l’environnement…)

En avril 2000, une directive européenne à imposer l’étiquetage des produits disposant de plus de 1% d’OGM.

Les trois types de choses produites par les biotechnologies

Même si on pense d’abord aux OGM (des espèces nouvelles créées à partir de la matière organique), les biotechnologies permettent de créer qui sont globalement les mêmes choses que les autres technologies (mécanique à l’échelle humaine, micro et nanotechnologies) : des matériaux, des systèmes (mécaniques, optiques, hydrauliques…) et des technologies de l’information et de la communication (unités de traitement, de communication, de mémoire ou d’interface).

Des matériaux

on pense évidemment à des matériaux biologiques et même la création d’espèces vivantes nouvelles, mais les protéines peuvent également créer des matériaux non biologiques (c’est déjà ce qui se passe dans l’ostéogénèse lors de la création de la matrice minérale de l’os en calcium). La production des matériaux biologiques et d’organismes vivants sont parmi les premières applications des biotechnologies :

• Les médicaments et la santé
• L’alimentation humaine et animale
• L’agriculture et l’élevage
• Les cosmétiques
• Le luxe biotech : restauration d’œuvres d’art (par exemple les Nymphéas de Monet restaurées par des enzymes)
• Les enzymes et les autres intermédiaires chimiques
• L’énergie : réduction de la consommation et production de biomasse pour produire de la bioénergie
• L’environnement : réduction ou retraitement des déchets, assainissement de l’air ou de l’eau
• Les matières premières (matériaux passifs)

Dans le domaine de la production de médicaments, la création de nouvelles molécules ne va pas en croissant comme on pourrait le penser mais au contraire en décroissant [3] :

• De 1986 à 1990 : 238 nouvelles molécules actives
• De 1990 à 1995 : 211 nouvelles molécules actives
• De 1996 à 2000 : 211 nouvelles molécules actives
• De 2001 à 2005 : 149 nouvelles molécules actives

Des systèmes mécaniques, optiques…

On sait déjà par exemple réaliser des robots marcheurs bipèdes avec des brins d’ADN[13], la bioluminescence s’intéresse à des propriétés optiques particulières du vivant…

Des Technologies de l'information et de la Communication (TIC)

les laboratoires travaillent sur de la mémoire ADN mais également à l'utilisation de l’assemblage de chaînes de nucléotides de l’ADN pour faire des calculs parallèles (type voyageur de commerce) à l'aide de la traduction de l’ARN en protéine en fonction des substances présentes dans la cellules (fonctions logiques du type : si A et >B ou C sont présents alors l’ARN est traduit) [12].

Les trois grands types de biotechnologies

Il existe plusieurs façons de produire des applications par les biotechnologies :

• Le génie génétique - la transformation des protéines par la transformation de l’ADN. De nouvelles protéines ayant de nouvelles fonctions (les protéines déjà créées par le vivant représentent un nombre dérisoire de toutes les protéines  possibles) sont crées par un ADN qui est transcrits en ARN puis traduit en protéine. Il existe 3 approches :
  • La transgénèse : Par l’apport depuis un autre organismes de gènes dans un ADN
  • La biologiesynthétique : Par la création ou la modification de gènes ou d’ADN complet
  • La mutagénèse dirigée : Par le choix des mutations de l’ADN
• Le génie microbiologique - par l’utilisation de micro-organismes (virus ou bactéries).
  
  • Par exemple, la fermentation est la création de sources d’énergie biochimique (ATP) à partir de sources d’énergie chimique (le plus souvent du glucose). On transforme alors du glucose en alcool, en produit laitier ou des produits chimiques. Cette réaction qui se fait avec des micro-organismes se fait pourtant de façon 15 fois plus performante avec le processus de respiration mais cette dernière nécessite alors d’ajouter de l’oxygène. Les réacteurs à fermentation sont utilisés par l’industrie pharmaceutique, agroalimentaire ou chimique
• Le génie protéique (protein design) – par l’action directement sur les protéines. Il existes deux voies principales :
  • Le génie  enzymatique : En favorisant une réaction chimique du métabolisme à l’aide d’une protéine ayant une fonction de catalyseur. réacteurs enzymatiques, réacteurs à cellules et à organelles fixes
  • Le génie immunomique : Par l’activation ou l’inhibition de cellules ou (le plus souvent des bactéries) ou de matériel génétique (le plus souvent des virus) qui vont transformer à leur tour des cellules ou du matériel génétique (immunologie)

Le génie génétique

La transgénèse et la biologie synthétique

Il est devenu possible de couper des fragments d’ADN pour les étudier :

• Une des premières découvertes à été la structure discontinue du gène : la partie codante (les exons) est intercalée de parties non codantes (les introns) sur les cellules eucaryotes et d’autant plus que les cellules sont complexes.
• La découverte des enzymes de restriction qui coupent des séquences d’ADN qu’elles reconnaissent (où à leur voisinage). Par exemple  ecoRI qui reconnaît les séquences GAATTC et CTTAAG ou encore Sau3A qui reconnaît GATC et CTAG. (ils servent à découper les ADN étranger entrant dans la cellule)
• Les enzymes de modification : ils modifient une séquence en ajoutant un groupe méthyle afin que l’enzyme de restriction ne coupe pas l’ADN de la cellule qui l’a produit

Le coup d’envoi de la génétique a pu se faire grâce :

• A des coupures qui n’étaient plus aléatoires
• Certaines enzymes qui permettent une recombinaison (y compris in vitro)

Ces techniques ont permis la transgénèse (insertion d’un gène étranger dans un ADN) qui est utilisé dans la production d’OGM, mais aussi la biologiesynthétique qui permet de créer de nouveaux ADN depuis zéro et les insérer ensuite dans une cellule pour lui faire faire des choses nouvelles.

Les risques de la transgénèse

• Risque sanitaire :
  • Il y a un danger de réveiller certains metabolismes fossiles, inhibés lors de l’évolution de l’organisme, qui produiraient des produits toxiques. Ce cas n’a actuellement jamais été observé mais poserait en particulier pour les applications agroalimentaires
• Risques environnementaux :
  • Dissémination de gènes : Par exemple la diffusion d’un gène de résistance aux herbicide peut mettre en péril l’agriculture s’il y a transformation des autres plantes.
  • La pression de sélection : le Bacille de Thuringe (communément appelé Bt) est l’insecticide biologique le plus utilisé (95%  des biopesticides utilisé dans le monde [11]). Il a provoqué l’apparition de souches résistantes. Dans ce cas, le Bt est utilisé dans les OGM mais aussi dans  l’agriculture biologique. Il s’agit donc d’un problème inhérent à l’utilisation d’une solution unique trop largement utilisée.
• Risque économique : il y a un conflit d’intérêt qui pourrait faire dériver les offres car la même multinationale vends les herbicides et les semences résistantes à ces herbicides. D’ailleurs les semences OGM ne peuvent pas être réutilisées d’une année sur l’autre et doivent être achetées chaque année…

Mutagénèse contrôlée

• Il existe de nombreuses mutations qui se produisent naturellement.
• Il est également possible de favoriser artificiellement des mutations du génome. Cela élargit le champ des possibles et accélère le processus de sélection naturelle  [6]. Mais les mutations sont alors aléatoires et sont ensuite soumises à la sélection naturelle.
• Dans le cas de la mutagénèse contrôlée, on crée une banque de gènes mutants et ce sont les chercheurs eux mêmes qui font la sélection (on parle de criblage). Grâce à la technique du criblage haut débit (HTS, High Throughput Screening), un chercheur peut trier 100 000 molécules (produites par les cellules mutantes) par mois. La PME française BioSciences s’est spécialisée dans le criblage haut débit

L’industrie de la génétique

Les plus grands producteurs d’OGM (secteur en concentration) :

• Dupont Pionneer (premier mondial)
• Syngenta
• Monsanto (90% des semences)
• Limagrain (France)

Le marché de la mutagénèse contrôlé devrait passer de 377 M€ en 2006 à 700 M€ en 2010 [7]
La production en dehors des matériaux biologiques (nouvelles molécules ou nouvelles espèces) est aujourd’hui plutôt du domaine du laboratoire.
La transgénèse végétale ont eu jusque récemment un retard sur la transgénèse animale. Ce qui n’est pas le cas de la mutagénèse spontanée ou artificiellement provoquée

Les limites du génie génétique

Mais l’idée à l’origine du génie génétique, le dogme central (l’ADN détermine, l’ARN qui détermine la protéine) est fausse ! (La génomique est nécessaire mais pas suffisante) :

• Le Sida par exemple est un « retrovirus » qui influence l’ARN qui lui-même modifie l’ADN.
• De plus le génome ne contient pas toute l’information car l’environnement influence les molécules présentes dans la cellule qui à leur tour , modifient ce qu’elles créent (souvent en se plaçant sur une protéine ce qui en active, inhibe ou change la fonction. Ces mêmes protéines vont alors activer ou inhiber la transcription de parties de l’ADN en ARN – c’est le mécanisme « d’expression des gènes » - ou encore activer ou inhiber la traduction de l’ARN en protéine).
• Enfin, l’organisation du système de protéines (le graphe du protéome) va avoir également une influence car les réactions nécessitent plusieurs molécules (y compris des enzymes pour favoriser une réaction plutôt qu’une autre). C’est l’objet de la biologiedessystèmes, de comprendre l’influence des réseaux de protéines, de gènes ou encore de cellules [4]. Le graphe formé par les éléments détermine par exemple la robustesse du système face aux variations extérieures ou la sur-réaction face à un gène étranger (ce qui peut pousser parfois à attaquer ses propres gènes). Le type de graphe influence donc l’homéostasie, un concept introduit par Claude Bernard qui indique la « capacité de conserver l'équilibre de fonctionnement en dépit des contraintes extérieures » [5] (La robustesse du système peut être souhaitable ou non. Le cancer par exemple est un système très robuste…).

Le génie microbiologique

Les biologistes se sont surtout intéressés à Escherichia Colia pour comprendre les réactions principales et parfois à quelques micro-organismes pathogènes. Mais de nombreux micro-organismes peuvent porduire des résultats tout à fait intéressant (comme c’est le cas dans la fermentation, une des plus anciennes biotechnologie. Mais la recherche, malgré sont intérêt en santé, agroalimentaire et chimie fine, a été un peu oubliée). Pourtant, au Japon et en Suisse la microbiologie fait partie de la culture des entreprises et des universités (il y a 1500 docteurs en microbiologie au Japon et… 150 en France [1])

Le génie protéique (protein design)

Outre l’action sur les gènes ou sur les micro organismes pour qu’ils produisent  des protéines souhaitées, il est possible de remodeler directement les protéines par le génie protéique (Protein design).

Le génie enzymatique

Il est possible de favoriser certaines réactions (les chaperons par exemple sont des protéines qui aident les protéines à se plier, ce qu’elles font dans un temps extrêmement court : entre un millième et un millionième de seconde). Les catalyseurs, ,des protéines qui favorisent une réaction particulière sont alors très utiles.

Les réactions enzymatiques peuvent se faire :

• Dans la cellule
• Dans des tubes à essai
• Dans des réacteurs (pour la production industrielle)

Le génie immunomique

Les anticorps sont des protéines complexes qui sont capables d’activer une réponse donnée (des cellules et des protéines) lorsqu’ils détectent certaines macromolécules. Ils ont trois rôles :

1. Se lier à un antigène (une macro-molécule naturelle ou synthétique pouvant être détectée par un anticorps)
2. L’activation du système du complément (un ensemble de 35 protéines)
3. L’activation de cellules immunocompétentes (par exemple des « macrophages » qui absorbent des microbes des virus ou des êtres monocellulaires comme les bactéries, archaea, levures, protistes…)

Ils servent habituellement au système immunitaire (qui détecte ce qui est « soi » et ce qui « n’est pas soi » pour se défendre contre les éléments responsables des maladies (pathogènes).

Mais en 1975 Pierre Grabar a montré que les anticorps interviennent également dans le métabolisme, en particulier dans les transformations moléculaires et les transferts d’énergie.
L’immunome est l’ensemble des fonctions possibles d’un anticorps [9]
L’immunochimie électronique permet de détecter des conformations spatiales (des épitotes) grâce à des anticorps spécifiques qui sont révélés soit par une enzyme soit par l’or colloïdal. Elle est utilisé en recherche pour localiser une protéine spécifique [10].

Immunologie et enzymatique

L’immunologie et l’enzymatique se rapprochent. On utilise aussi des abzymes : des anticorps (donc des protéines) avec une action enzymatique

Notes

[1] Daniel Thomas, André-Yves Portnoff, repenser les biotechnologies, éditions futuribles, collection Perspectives, 2007
[2] Pierre Douzou, Gilbert Durand, Gérard Siclet, les biotechnologies, Que sais-je, 2001
[3] source EFPLA 2006
[4] voir en particulier la série d’articles très synthétiques en 2001, 2002 de Hiroaki Kitano (… le développeur de l’Aïbo chez Sony CSL) : Hiroaki Kitano (editor). Foundations of Systems Biology. MIT Press: 2001.
[5] Homéostasie, définition de Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Hom%C3%A9ostasie
[6] voir également la théorie des équilibre gradués de Stephen Jay Gould
[7] Ministère de l’industrie, les technologies clés 2006, technologie n° 49. Techniques de criblage et de synthèse à haut débit : http://www.industrie.gouv.fr/techno_cles_2010/
[8] Anticorps, définition Wikipédia : http://fr.wikipedia.org/wiki/Anticorps
[9] voir la revue : immunome research - http://www.immunome-research.com/
[10] http://www.anapath.necker.fr/metanapat/ME/immunoME
[11] Pestinfos - actualités de l’insecticide biologique Bt : http://pestinfos.site.voila.fr/Bt.html
[12] Voir Prospectic, nouvelles technnologies, nouvelles pensées ? FYP éditions 2008 page 95 : encadré "des ordinateurs dans les cellules"
[13] Voir Prospectic, nouvelles technnologies, nouvelles pensées ? FYP éditions 2008 page 91 : encadré "Utiliser l'ADN comme une nanotechnologie qui marche"