Le Blog de Jean-Jacques Perrier

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BIOLOGIE DE SYNTHESE/ BIOLOGIE DE GARAGE : QUELLES FAÇONS D’INNOVER SUR (AVEC) LE VIVANT ? Partie 1

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Compte rendu de la rencontre du 26 juin, Partie 1

Téléchargez le CR complet : CR_26juin_FIN.pdf
 
L’un des moteurs actuels de la bioéconomie, au sein de laquelle les biotechnologies ont un rôle à jouer, est la nécessité de faire face simultanément aux pressions croissantes sur l’environnement et à la diminution des ressources fossiles. Christian HUYGHE, directeur scientifique adjoint Agriculture à l’INRA, résume ces enjeux dans la perspective de développer des systèmes agricoles et alimentaires durables : comment parvenir à des rendements suffisants mais soutenables pour l’environnement ?
Pour lui, le facteur clé ou  « point dur » pour l’alimentation durable est la protéine, d’une part parce qu’elle ne peut être substituée par aucun autre nutriment et qu’il faudra en produire de plus en plus pour répondre à la demande mondiale, d’autre part parce que l’atome d’azote qui entre dans sa composition est au cœur des impacts environnementaux des activités agricoles, avec les rejets de nitrates et de protoxyde d’azote.
 
b2ap3_thumbnail_Luzerne_ARS-USDA.jpg
La luzerne est l'exemple d'une légumineuse fourragère riche en protéines
et peu gourmande en engrais azotés puisqu'elle fixe l'azote de l'air.
Crédit : ARS-USDA
 

Protéines végétales et animales : attention dangers

Dans tous les pays du monde, la part des protéines animales dans le régime alimentaire augmente avec l’amélioration du niveau de vie. Or, pour faire de la protéine animale l’élevage utilise de la protéine végétale, avec un taux de conversion faible. Ainsi, d’ici 2030,  nous aurons besoin de 180 millions de tonnes de protéines en plus, soit 180 millions d’hectares de soja.
Comment peut-on satisfaire la demande mondiale ? Où sont les marges de manœuvre ? Des possibilités existent du côté des légumineuses fourragères et à graines, qui fixent l’azote atmosphérique grâce à leurs bactéries symbiotiques, permettant ainsi des économies d'énergie fossile et de moindres émissions de gaz à effet de serre.Mais elles représententpeu de choses en surfaces cultivées concernées. En dehors de ces espèces, il faut des engrais minéraux pour accroître les rendements, obtenus encore par le procédé Haber-Bosch, vieux d’un siècle, de synthèse d’ammoniac: il faut en moyenne 2 kg d’équivalent pétrole pour faire  1 kg d’azote. Une partie de l’azote des engrais se volatilise sous forme de protoxyde d’azote, puissant gaz à effet de serre, soit un tiers des émissions agricoles de GES à l’échelle mondiale.
 

Quels leviers ?

Les progrès dans la gestion de l’azote impliquent ainsi, outre l’innovation dans le génie des procédés, beaucoup d’innovation organisationnelle, notamment le changement d’allocation des sols, de loin le plus puissant pour accomplir cette transition  et gérer les impacts, et une meilleure gestion numérique des données. La génétique et les biotechnologies (domaines végétal, animal, microbien) offrent aussi une marge de progrès. Par exemple, on a peu exploré l’impact considérable du microbiote intestinal du bétail sur les émissions de GES. De même, pour la protection des cultures, les phytosanitaires peuvent être remplacés partiellement par des microorganismes de biocontrôle.
Pour Christian HUYGHE, les défis à venir pour produire davantage de protéines tout en réduisant les pollutions ne peuvent être relevés que par une diversité d’agricultures respectant la diversité des milieux et des attentes sociales. Bioéconomie et agro-écologie peuvent dessiner un cadre général, sur fond d’innovations et de réglementations bien pensées. Les innovations et évolutions biotechnologiques et organisationnelles constituent une ressource, et non une finalité. Il est essentiel de saisir qu’il n’y a pas d’innovation technique sans une adhésion sociale : les modèles agricoles et alimentaires sont à mettre en discussion afin qu’ils puissent se construire dans toutes leurs dimensions sociales et environnementales.
 

Consommer différemment ?

Alors que la planète compte un milliard de sous-nutris et 1 milliard d’obèses, Il semblerait judicieux d’imaginer des pistes de consommation différente plutôt que de rester dans la course à la production de protéines végétales et animales, suggère Frédéric Tournier, biologiste à l’université Paris-Diderot.  Consommer moins de viande par exemple aurait un impact important. Selon Christian HUYGHE, les changements de modes de consommation ne peuvent avoir qu’un effet marginal : les modes de consommation ne sont pas encadrés par la règlementation. Or les tendances démographiques et les extrapolations de consommation jusqu’à 2030 montrent une croissance, une augmentation de la consommation de viande liée à l’augmentation du niveau de vie dans les pays en développement, et par suite une tension majeure sur les ressources agroalimentaires, les zones cultivables et les écosystèmes.
Il apparaît assez incontournable donc d’augmenter la production agricole, mais différentes voies sont possibles. Face à cette complexité, les biotechnologies modernes et plus particulièrement la biologie de synthèse ne sont généralement plus présentées de façon simpliste comme des solutions capables de résoudre la question alimentaire, comme cela avait été le cas pour les organismes génétiquement modifiés (OGM) dans les années 1980 et 1990. Dans la littérature scientifique, ils apparaissent davantage comme des outils d’amélioration des plantes aptes à leur faire synthétiser toutes sortes de produits, en lien avec le concept de « bioraffineries »[1], c’est-à-dire d’installations de conversion de la biomasse en produits divers et variés.
 

Les dynamiques de la biologie de synthèse

Comment cette nouvelle discipline se positionne-t-elle justement ? Thomas Heams, enseignant-chercheur à AgroParisTech, a brossé un état des lieux de ses dynamiques internes. Selon Richard Kitney et Paul Freemont, de l’Imperial College de Londres, la biologie de synthèse vise à la conception et à l'ingénierie de biobriques, de mécanismes voire de systèmes entiers inédits, ainsi qu'à la modification de systèmes biologiques naturels[2].
PourThomas Heams, c’est une discipline d’interface à la rencontre de la théorie de la biologie, des biotechnologies ancrées dans l’époque moderne, de la génomique, et de l’informatique et des concepts de l’ingénierie. Beaucoup des chercheurs impliqués dans la biologie de synthèse viennent de l’électronique, sans doute parce que le vocabulaire commun, la notion de programme, peut les inspirer. En réalité, le domaine se caractérise par des approches variées, des échelles de travail différentes (molécule, génome, cellules, réseau de gènes), des objectifs différents (connaissance, production, modélisation, etc.), avec un point commun très fort : l’idée de transformation radicale du vivant, fondée sur des approches biologiques, d’ingénierie, et informatiques de design rationnel.
En 2008, avec ses collègues de l’université d’Exeter, l’épistémologue Maureen O'Malley (aujourd’hui à Sydney) a proposé d’organiser ce domaine en trois champs ayant chacun leurs propres objectifs, méthodes et constructions ainsi que des régimes règlementaires et de brevets différents : l’ingénierie des génomes, avec la fabrication de génomes implantables dans des cellules, la fabrication de proto-cellules, entités pas vraiment vivantes mais ayant certaines caractéristiques du vivant, et la création de « machines à ADN », soit des organismes « supertransgéniques » porteurs de modules de plusieurs gènes modifiés[3].
Le champ d’ingénierie du génome est bien représenté par les travaux de l’équipe de Craig Venter, dont l’article de 2010 « Création d’une cellule bactérienne contrôlée par un génome synthétisé chimiquement »[4] a fait grand bruit. Il s’agit là d’un ensemble de techniques permettant de synthétiser un génome et de le faire réassocier à l’intérieur d’une bactérie dont le génome propre a été éliminé. Ce travail a été important mais l’annonce de « création de cellule » est excessive puisque le vivant ne se réduit pas au génome.
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Exemple de protocellule. Crédit Janet Iwasa
 
Le deuxième pilier de la biologie de synthèse mentionné par O’Malley est la fabrication de protocellules. C’est sans doute le plus passionnant au plan fondamental, mais aussi le plus compliqué car il faut fabriquer de petites entités capables de se reproduire, d’avoir un métabolisme et une capacité à évoluer. On en est loin, même si ces travaux sont soutenus par les scientifiques travaillant sur les origines de la vie et l’exobiologie, tel Jack Szostak (Massachusetts General Hospital, Boston)[5].
 

Des « machines » très attendues

Enfin, les « machines à ADN » sont très attendues par les industriels (c’est là que se connecte le concept de bioraffinerie). Il s’agit souvent de réaliser des tours de force techniques car il faut ajouter à un génome un module entier de gènes pour produire les enzymes nécessaires selon une séquence qui va être correctement interprétée dans la cellule. L’exemple de la production d’artémisinine (2001)[6] et plus récemment de morphine[7] par des levures génomiquement modifiées montre que c’est possible. Mais c’est beaucoup plus compliqué qu’avec un seul gène car il faut gérer les interactions et le « bruit » ainsi créé. En outre, ce champ, en raison des organismes supertransgéniques qui seraient ainsi produits, pose la question de leurs conséquences socio-économiques et politiques.
Thomas Heams distingue – au-delà des travaux actuels d’extension du code génétique visant à intégrer des acides aminés non naturels dans les protéines, et de modification du code génétique visant à utiliser des bases non naturelles (du XNA) pour améliorer le confinement des organismes – deux évolutions récentes de la biologie de synthèse : le retour en force des techniques d’évolution dirigée, c’est-à-dire la sélection de cellules résultant de cycles de mutations aléatoires, par opposition au design rationnel prédéterminé (la place de l’aléatoire dans l’expression des gènes est une grande découverte des dernières années.) ; et la tendance à utiliser la biologie de synthèse chez des animaux, notamment des mammifères, pour contrôler la synthèse d’hormones, de médicaments ou la thérapie cellulaire par exemple[8]. Se dessinent alors les stratégies industrielles qui auront peut-être le retentissement le plus important, médicalement et socialement parlant mais aussi économiquement.


[1]Fesenko E, Edwards R. Plant synthetic biology: a new platform for industrial biotechnology. J Exp Bot. 2014 May;65(8):1927-37. Yoon JM et al. Metabolic engineering with plants for a sustainable biobased economy. Annu Rev Chem Biomol Eng. 2013;4:211-37.
[2]Kitney R, Freemont P. Synthetic biology - the state of play. FEBS Lett. 2012 Jul 16;586(15):2029-36.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0014579312004656
[3]O'Malley MA et al. Knowledge-making distinctions in synthetic biology. Bioessays. 2008 Jan;30(1):57-65.
[4]Gibson DG et al. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 2010 Jul 2;329(5987):52-6.
[5] Adamala K, Szostak JW. Nonenzymatic template-directed RNA synthesis inside model protocells.
Science. 2013 Nov 29;342(6162):1098-100.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4104020/ ; Schrum JP, Zhu TF, Szostak JW.The origins of cellular life. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2010 Sep;2(9):a002212.
[6] Sanders R (April 11, 2013) Launch of antimalarial drug a triumph for UC Berkeley, synthetic biology. UC Berkeley News Center. newscenter.berkeley.edu/2013/04/11/launch-of-antimalarial-drug-a-triumph-for-uc-berkeley-synthetic-biology/
[7] Oye KA et al. Drugs: Regulate 'home-brew' opiates, Nature 18 May 2015
[8] Ye H et al. Synthetic mammalian gene circuits for biomedical applications. Curr Opin Chem Biol. 2013 Dec;17(6):910-7. Xie M, Fussenegger M. Mammalian designer cells: Engineering principles and biomedical applications. Biotechnol J. 2015 Jul;10(7):10051018.
 
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Invité dimanche 18 novembre 2018

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