Des bactéries OGM bonnes à tout faire

    

Kandinsky W. Composition 7
En tant que chercheur en microbiologie, je me suis intéressé ces dernières années au développement du domaine très à la mode de la biologie synthétique. De nouveaux laboratoires se forment, les startup se multiplient, les grands groupes investissent à plein, l’argent coule à flots... Quelle est cette discipline qui sonne comme un frankenstein des temps modernes ? Quelles sont ses possibilités ? Quelles sont ses limites ? Comme vous allez le découvrir, la biologie synthétique n’est pas une tendance passagère. Impliquée dans tous les secteurs clés, énergie, santé, environnement, elle est au coeur des débats éthiques d’aujourd’hui et de demain.

 

 

La semaine dernière, nous avons détaillé se qui se cache derrière le terme de biologie synthétique. C’est, pour résumer, du génie génétique à visée industrielle. Les organismes génétiquement modifiés (OGM) de la biologie synthétique, souvent des bactéries ou des levures, sont utilisés comme des micro-usines à produire une molécule donnée, ou parfois même pour réaliser une fonction complexe comme nous allons le voir.

 

Voici donc maintenant les principaux secteurs dans lesquels la biologie synthétique est attendue. La discipline est tentaculaire. Les applications les plus monumentales se trouveront dans le domaine de l’énergie, tandis que les changements les plus rapides à apparaître se feront certainement en chimie. La santé verra des applications toutes plus sophistiquées les unes que les autres, et l’agroalimentaire devrait pouvoir profiter d’applications à impact environnemental positif.

 

| Du soleil et des biocarburants

 

Dans le secteur de l’énergie tout d’abord, l’une des applications les plus matures de la biologie synthétique est la production d’hydrocarbures par des bactéries ou des levures. En particulier la production de longues molécules carbonnées servant de précurseurs pour la production de biocarburants. Le processus est déjà au point : la compagnie américaine Amyris par exemple, qui a récemment démarré un partenariat avec Total, fournit du biodiesel provenant de la culture de levures. Ce biodiésel, d’une grande qualité, peut tout à fait remplacer des carburants fossiles pour être utilisé tel quel dans tous types de moteurs, même des moteurs d'avions. A l’inverse, un biocarburant comme le bioéthanol est oxydant et doit la plupart du temps être associé avec des hydrocarbures classiques pour ne pas endommager les moteurs. 2nd avantage de poids, en comparaison aux carburants fossiles : ces biocarburants participent beaucoup moins, voire pas du tout, au réchauffement climatique. En effet, bien que le biodiesel finisse par être brûlé pour enrichir l’atmosphere en CO2, il provient de levures, nourries de sucres issus de la biomasse végétale. Ces sucres ont donc été produits par une plante qui a absorbé du CO2 et enrichit l’atmosphere en oxygène pour les produire ! Par conséquent si tout le carburant de nos moteurs était produit de cette manière, l’accumulation de CO2 dans l'atmosphère serait quasiment stoppée. 

 

Plusieurs problèmes cependant freinent l'expansion de ces biocarburants de la biologie synthétique. Tout d’abord le coût, qui reste plus élevé que celui des carburants issus du pétrole. Ensuite, le fait que les levures demandent des quantités astronomiques de sucres pour produire le biodiesel. Pour le moment ces sucres sont récoltés par la culture de cannes à sucres, une expansion de la production deviendrait donc une compétition non négligeable pour les surfaces agricoles à destination de l’alimentation. Ceci aboutirait inévitablement sur la même impasse que le bioéthanol. Tous les spécialistes s’accordent à dire que le modèle a besoin, pour passer à grande échelle, d’une matière première qui ne soit pas en compétition avec pour la surface agricole. Comme le dit le professeur Jay Keasling de l’université de Berkeley en Californie, un des pionniers de la biologie synthétique, « afin que ces nouveaux carburants soient économiquement viables, nous devons les produire à partir de sources de carbone bon marché - c’est-à-dire à partir de sucres provenant de la biomasse cellulosique » (1). En effet, la cellulose représente l’El dorado pour ces biocarburants nouvelle génération. C'est une biomasse renouvelable complètement sous-exploitée jusqu’à aujourd’hui. La cellulose est un assemblage rigide de molécules de glucose, et c’est le constituant majeur de toutes les plantes. Nous les humains ne pouvons pas digérer cette matière cellulosique, qui est donc la plupart du temps traitée comme un déchet, tandis que nous gardons la partie comestible de la plante. Regardez un épi de maïs par exemple, les feuilles et la tige représentent une masse plus importante que les grains de maïs que nous collectons. Ainsi, si ces déchets de l’agriculture pouvaient être utilisés, les biocarburants gagneraient à la fois en coût de production et en viabilité d’exploitation à grande échelle. Imaginez si ces levures produisant le biodiésel pouvaient être nourries par de la cellulose ! Les feuilles mortes en automne pourraient être transformées à bas prix en carburant renouvelable pour nos moteurs. Cette piste est par conséquent un domaine de recherche intense. La principale difficulté vient du fait que les organismes capables de naturellement digérer la cellulose, surtout des champignons et quelques bactéries, ne sont pas du tout des bons candidats pour la biologie synthétique, car complexes à modifier et à croissance lente.

 

Une autre approche est encore plus fascinante : la production d’hydrogène par des cyanobactéries. Ces bactéries sont capables de réaliser la photosynthèse comme les plantes, c’est à dire de se « nourrir » de l’énergie du soleil, d'eau et de CO2 pour produire des sucres et de l’oxygène. En manipulant le génome de la bactérie, des chercheurs tentent de réorienter cette photosynthèse vers la production d’hydrogène. L’hydrogène est une énergie très attractive. Par électrolyse, il fournit de l’électricité et rejette de l’eau. Des voitures fonctionnent déjà grâce à des piles à combustible, la plupart encore au stade de prototype. Des premiers modèles ont été véritablement mis en vente récemment par Toyota. Cette solution serait donc idéale : utiliser l’énergie du soleil, l’énergie renouvelable par excellence, pour faire produire de l’hydrogène à des cultures de cyanobactéries. L’entreprise américaine Synthetic Genomics fondée par le scientifique Craig Venter, particulièrement influent dans le domaine des biotechnologies, s’est lancée dans ce challenge. Mais la route semble encore longue avant que ce processus ne soit vraiment rentable.

 

| Des bactéries propres

 

De son côté, l’industrie chimique sera très certainement le secteur le plus fortement impacté par la biologie synthétique, de manière extrêmement positive pour l’environnement. A partir du moment où l’on prend le temps, et l’argent, de modifier le métabolisme des microorganismes, toutes sortes de composés chimiques peuvent être produits, à l’instar des longues chaines carbonées ou de l’hydrogène ci-dessus. Une fois la bactérie modifiée, il ne lui faut plus que du sucre pour travailler. Or ces composés, lorsqu’ils sont fabriqués par synthèse chimique traditionnelle, sont parfois issus d’une synthèse multi-étapes à très faible rendement, pouvant nécessiter des réactifs chers et très polluants. La biologie synthétique représente donc ici réellement une révolution pour certaines filières. De plus, elle peut aussi bien s’attaquer à la production de composés à faible valeur ajoutée, comme les biocarburants, qui demandent un volume de production gigantesque pour devenir rentables, qu’à la production de produits à très haute valeur ajoutée, comme des molécules à vertu thérapeutiques (voir l’exemple de la semaine dernière, la production de cortisol par des levures). Les bénéfices pour l’industrie chimique croisent ici ceux de l’industrie pharmaceutique.

 

Pour le moment, le frein principal est l’investissement important à fournir en recherche et développement avant d’obtenir un organisme produisant une molécule donnée de manière fiable. Cependant ce coût diminue rapidement au fur et à mesure que les technologie de manipulation génétique s’améliorent.

 

| Des bactéries couteaux-suisses

 

Les frankenstein microscopiques de la biologie synthétique nous promettent également quelques applications révolutionnaires dans le domaine de la santé. Des virus modifiés pour partir à l’attaque de bactéries pathogènes aux bactéries sur-mesure pour cibler et détruire des tumeurs, les potentialités de ces nouvelles technologies n’ont pas encore fini de produire des applications inattendues. Mais la santé est un domaine où les innovations progressent nécessairement lentement car elles doivent passer un long processus de vérifications et de tests cliniques avant de se concrétiser sur le marché. Encore quelques années donc avant de pouvoir se soigner en mangeant un yaourt de bactéries OGM.

 

Dans le domaine de l’agroalimentaire, la biologie synthétique rejoint le secteur déjà fortement implanté des OGM alimentaires. Parmi les pistes de recherche intéressantes, et à priori bénéfiques pour l’environnement, des chercheurs tentent de modifier des bactéries pour en faire des « bactéries-engrais » pouvant remplacer les engrais azotés extrêmement polluants. En effet, la quasi-totalité des plantes vivent en symbiose avec des bactéries qui les aident à se procurer différents nutriments. En s’inspirant de ces bactéries, il est possible d'imaginer fabriquer des souches optimisées pour la fixation de l’azote, ou bien taillées sur mesure pour aider les plantes à pousser sur différents types de sols (2).

 

| Un steak de biologie synthétique 

 

Dans un registre qui fait franchement penser à Frankenstein cette fois-ci, l’équipe du chercheur hollandais Mark Post cherche à produire de la viande in vitro, c’est à dire de la viande poussée en laboratoire et n’ayant jamais fait partie d’un animal ! En utilisant une cellule de muscle modifiée pour se diviser le plus rapidement possible, l’objectif est de fabriquer de la viande de qualité à coût environnemental réduit. Imaginez un gigantesque réacteur d'usine, rempli d’un amas de cellules de viande en prolifération. Mixez le tout en sortie, extrudez, coupez, les steak hachés sont servis ! Ne rigolez pas, tout cela est déjà en développement. Plus sérieusement, les avantages mis en avants par ce projet ne sont pas négligeables, et méritent de surmonter le haut-le-coeur pour réfléchir à cette proposition : l’idée de fond est de réduire l'impact environnemental désastreux de la viande, sans pour autant devenir végétarien et s’abstraire de cette source alimentaire particulièrement riche. Produire de la viande demande énormément d’eau, de surface agricole réservée à l’alimentation du bétail, et implique donc l’utilisation de pesticides, et un rejet de CO2 énorme par kilo de viande produite. Tous ces facteurs sont prodigieusement diminués, voire abolis, pour la production d’un kilo de viande in vitro procurant le même apport calorique. De plus, le problématique du respect de l’animal dans la filière industrielle est entièrement balayée.

 

Selon moi, bien que la viande in vitro soit une approche intéressante, la priorité reste de concentrer nos efforts pour une agriculture propre et respectueuse de l’animal, plutôt que de developper une nouvelle industrie massive.

 

| Confiants et vigilants

 

Il resterait beaucoup d’exemples à ajouter à cette liste pour qu’elle soit exhaustive. Bien sûr, parmi ce foisonnement d'applications prévues par la biologie synthétique, il est probable que certaines n’aboutiront pas, car doublées par une autre technologie. Cependant, il paraît aujourd'hui raisonnable de dire que la biologie synthétique sera l’un des vecteurs de changement majeur dans le monde de demain. Notre responsabilité est de veiller à ce que ces changements aillent dans le bon sens.

 

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La semaine prochaine, je rentrerai dans le détail des nombreux problèmes éthiques soulevés par la biologie synthétique. Un sujet particulièrement d’actualité, alors que la technique de manipulation génétique CRISPR est en train de démultiplier nos capacités et d’accélérer la cadence. Un prochain billet sera consacré à cette technique révolutionnaire.

 

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Sources

1. Keasling, J. D., 2010 - Manufacturing Molecules Through Metabolic Engineering. Science.

2. Oldroyd, G. E. et al., 2014 - Biotechnological solutions to the nitrogen problem. Current Opinion in Biotechnology.

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