Biologie de synthèse : définition; exemples d'application; perspectives


Zaïnab ABDOULATTIF, Noémi DOMINIQUE, Thomas GROSMAIRE, Thomas HAMELIN, Sarah KALFA, Léa ROGER




La biologie de synthèse est l’ingénierie rationnelle de la biologie. Le but de cette discipline est d’étudier les principes auxquels la biologie et les différents systèmes obéissent afin de mieux les comprendre, de fabriquer des organismes ayant des fonctions biologiques complexes précises en s’appuyant sur les modifications de génome (en particulier bactérien) pour une utilité bien spécifique dans différents domaines d’applications tel que la médecine ou l’environnement. Il s’agit de reprogrammer génétiquement des bactéries ou des levures dans le but d’obtenir une nouvelle fonction biologique. Elle sollicite de multiples disciplines scientifiques telles que la chimie, la biologie, en passant par l’informatique ainsi que les mathématiques. Cette branche de la science se démarque ainsi de la biologie traditionnelle. [1]

La biologie de synthèse empreinte deux démarches, la démarche constructiviste et la démarche minimaliste. La première démarche « constructiviste » consiste à assembler des biobriques afin de créer des systèmes biochimiques, biomécaniques ou bioélectroniques spécifiés. Les biobriques sont des fragments d’ADN formant des éléments de base pour former des gènes impliqués dans un circuit biochimique. La seconde démarche « minimaliste » correspond à l’épuration du génome de la cellule hôte appelée châssis obtenant ainsi l’ADN minimal indispensable à la survie de l’organisme sur lequel sera par la suite greffé un ensemble de gènes impliqué dans une fonction biologique. [2]

Toutes ces prouesses sont aujourd’hui possibles grâce au séquençage ainsi qu’à la synthèse de génome. En effet, le premier génome bactérien, Haemophilus influenzae, a été séquencé en 1995. Ces évènements majeurs ont par la suite provoqué une succession de progrès dans ce même domaine: en 2008, on a été capable de synthétiser entièrement le premier génome bactérien, celui de Mycoplasma genitalium. En 2010 le premier génome bactérien entièrement synthétique a été transplanté dans une bactérie-hôte, Mycoplasma mycoides. [3]

Le cycle de travail d’un ingénieur en biologie de synthèse se décompose de la manière suivante :


Figure 1 : Cycle de travail d’un ingénieur en biologie

La biologie de synthèse étant un domaine complètement récent et émergent, certaines règlementations s’imposent afin de garder le contrôle sur les réalisations. La législation mise en place dans certains pays, notamment en France, autorise la commercialisation de médicaments issus de la biologie de synthèse en suivant les réglementations déjà existantes, il doit être soumis aux tests éco-toxicologiques selon le règlement européen REACH (Registration Evaluation and Autorisation of Chemicals) concernant l’enregistrement, l’évaluation, l’autorisation de mise sur le marché, l’utilisation et la préparation des substances chimiques. Un rapport sur la biosécurité et la sûreté est également mis en place par la Stratégie Nationale de la Recherche et de l’Innovation (SNRI) afin d’éviter les risques de déviance, notamment en arme biologique et terrorisme, par la synthèse de virus ou bactéries au fort pouvoir pathogène. Des réunions ministérielles annuelles de concertation sont prévues dans le but de prévenir ces risques. L’Union européenne préconise des dispositions similaires à celles concernant les OGM : le code de l’environnement qui réglemente l’utilisation des OGM en milieux confinés et à des fins industrielles est susceptible d’être appliqué à la biologie de synthèse, selon le ministère de l’écologie, en instaurant une enquête publique livrant des autorisations d’installation classée pour la protection de l’environnement livrées par le préfet  et le Haut Conseil des Biotechnologies (HCB). Une suite de trois recommandations fait partie des objectifs de la Commission européenne. Elles visent à évaluer les risques et lacunes afin de les éliminer, mettre en place une réglementation et un débat international sur ce qui a été prédéfini lors de cette première recommandation en matière de biosécurité par une approche standardisée, enfin, un code de conduite pour la recherche sur les microorganismes synthétiques sera préparé, il visera la pratique quotidienne des expérimentateurs par des campagnes de sensibilisation organisées par les Commissions d’Hygiène et de Sécurité. [4]


Exemples d’application

  • Synthèse de l’artémisinine

De nos jours, de nombreux médicaments efficaces sont utilisés contre la malaria tels que Paluther® et Coarsucam® . Certains sont constitués d’une molécule appelée artémisinine qui est la substance agissant sur l’agent infectieux de la malaria. Celui-ci est un parasite du genre Plasmodium, il est transmis par différents moustiques dans les zones tropicales. L’artémisinine inhibe la propagation de la maladie. Cette molécule peut être extraite d’une plante chinoise : l’Armoise (Artemisia annua). [5]

Plusieurs problèmes se posent : d’une part, l’extraction de cette molécule de l’armoise est très coûteuse et a un rendement faible, d’autre part, elle est difficile à synthétiser et à industrialiser à cause de la forme asymétrique de la molécule. C’est pourquoi, aujourd’hui, avec la découverte et le développement de la biologie de synthèse, il est possible d’utiliser de nouvelles techniques pour pouvoir synthétiser et industrialiser cette molécule avec un rendement plus élevé.

En 2006, un professeur de bioingénierie, Jay Keasling a réussi à concevoir une souche de levure modifiée qui permet de produire de l’acide artémisinique, le précurseur de l’artémisinine. Keasling a inséré 12 gènes, préalablement choisis et synthétisés par ordinateur [6], dans le génome de la levure Saccharomyces cerevisiæ, lui donnant le pouvoir de produire de l’acide artémisinique à partir de l’acétyl-CoA en passant par la voie métabolique du mévalonate [5]. Cette levure cultive rapidement et est facilement modifiable génétiquement. Ainsi, une nouvelle voie métabolique a été introduite dans cette levure pour permettre la bioproduction de l’artémisinine.

Après la transformation de l’acétyl-CoA en mévalonate, d’autres réactions se produisent au sein de la levure. Il y a successivement formation de farnesyl pyrophosphate puis d’amorphadiène qui va subir trois oxydations permettant d’obtenir l’acide artémisinique. Puis, l’acide artémisinique synthétisé va être exporté à l’extérieur de la levure. Il pourra ainsi être purifié et subira des réactions chimiques pour donner de l’artémisinine. En effet, l’acide artémisinique peut être oxydé pour former de l’artémisinine. Une fois l'artémisinine produite, elle doit être convertie chimiquement en dérivés tels que l'artésunate ou l'artéméther, qui sont intégrés dans les ACT (artemisinin-basescombination therapies : combinaisons thérapeuthiques à base d’artémisinine) qui pourront être commercialisées. Les étapes de la synthèse de l’artémisinine sont présentées en figure 2. [7]



Figure 2: Schéma de la synthèse de l’artémisinine. [8]

Cette bioproduction comporte donc de nombreuses étapes difficiles à réaliser et demeure extrêmement coûteuse. Elle semble donc difficilement transposable à l'échelle industrielle. Néanmoins, en 2013, le groupe Sanofi a annoncé le lancement d’une usine de production d’artémisinine semi-synthétique en Italie, à grande échelle. La pureté et la disponibilité du produit sont améliorés, cependant, le coût de fabrication de l’artémisinine par biologie de synthèse reste élevé et correspond sensiblement au coût de sa production empirique à partir de la plante (environ 400$ par kg). Néanmoins, les travaux sur l’amélioration de cette technique continuent et devraient permettre la synthèse de l’artémisinine à moindre coût. [5]


  • Production de caoutchouc

Le caoutchouc naturel est principalement produit à partir d’hévéas (Hevea brasiliensis) et la technique pour l’extraire consiste à inciser le tronc de l’arbre pour que le latex (1/3 de caoutchouc ; 2/3 d’eau) contenu dans celui-ci s’écoule. La production de ce matériau exige un coût et une main d’œuvre non négligeables et elle ne répond pas à la demande actuelle, c’est pour cela que le caoutchouc naturel représente seulement 40% de la production mondiale, le reste étant produit de manière synthétique, principalement à partir du pétrole. L’inconvénient de l’extraction du pétrole reste son impact sur l’environnement, il faut donc lui trouver une alternative.

L’isoprène est une molécule qui peut se polymériser en caoutchouc mais également en Gutta-percha, qui est une gomme rigide issue du latex obtenu à partir de feuilles de Palaquium gutta et renfermant principalement du trans-1,4-polyisoprène, utilisée en endodontie. L’isoprène est synthétisé par tous les êtres vivants mais avec un faible rendement ce qui rend difficile une grande production de caoutchouc. L’entreprise de biotechnologie Genencor et la compagnie The Goodyear travaillent sur un projet dont le but est de produire de l’isoprène en grande quantité à partir de bactéries afin de limiter les conséquences environnementales et d’augmenter le rendement de la production de caoutchouc. [9]



Figure 3: Représentation des molécules d’Isoprène, de caoutchouc et de Gutta-percha [10]

Le précurseur de l’isoprène est le DMAPP (Diméthylallyl-pyrophosphate). Les deux grandes voies métaboliques aboutissant à la formation de DMAPP sont la voie mévalonique ou MVA, qui permet la transformation d’acétyl-CoA en DMAPP et la voie non-mévalonique (ou voie du DXP/MEP ; l-deoxy-D-xylulose-5-phosphate/2-C-methyl-D-erythritol-4-phosphate) qui permet la transformation de pyruvate et de glycéraldéhyde-3-phosphate en DMAPP. [9]

La voie du mévalonate a été sélectionnée pour le projet car elle a déjà été utilisée auparavant pour la production d’isoprénoïdes par des levures et des bactéries. Cette voie a donc été « importée » dans des bactéries de l’espèce Escherichia coli. [9]

Pour cela, 2 opérons (ensemble de gènes dont l’expression est régulée par un même promoteur) codant pour des enzymes réalisant la voie du mévalonate (représentée en figure 4), ainsi que l’isoprène synthase et une mévalonate kinase sont introduits dans la bactérie à l’aide de plasmides. Une fois les gènes du premier opéron exprimés, les protéines produites vont transformer l’Acétyl-CoA en mévalonate et les protéines codées par les gènes du second opéron transformeront le mévalonate en DMAPP (Cf. figure 4). Enfin, le DMAPP est transformé en Isoprène grâce à l’Isoprène synthase. [9,11]

Pour que l’Isoprène se polymérise, on utilise des catalyseurs de type Ziegler (TiCl3 et Al(C2H5)2Cl) ou des catalyseurs lithium.


Figure 4 : Première partie de la voie du mévalonate, correspondant au premier opéron et synthèse du DMAPP par la voie du mévalonate [11,12]

Perspectives

Grâce au développement de la biologie de synthèse, de nouvelles perspectives font leur apparition dans différents domaines, grâce à l’émergence de nouvelles voies métaboliques n’existant nulle part ailleurs dans la nature. C’est un nouveau secteur en pleine expansion. En effet le marché annuel  de la biologie de synthèse était de  0.5 milliard d’euro en 2006 et est estimé à 3 milliards d’euro d’ici 2016.

  • Energie

Il pourrait être possible de synthétiser des biofuels afin de remplacer les matériaux issus du pétrole. En effet Global BioEnergie, une entreprise située sur le génopole d’Evry, mène des recherches pour produire de l’isobutène, très énergétique, à partir de carbohydrates issus du sucre présent dans les végétaux comme le fructose ou le glucose issu de l’amidon [13] (voir schéma bilan de la voie métabolique figure 5). En effet les gènes codant les enzymes impliquées dans la chaine de réactions ont été synthétisés et transférés à des bactéries telles qu’Escherichia coli, ou les levures comme Saccharomyces cerevisiae, celles-ci pouvant dorénavant réaliser une fermentation isobutènique. Cela nous permettrait de produire plus facilement des biodiesels. De plus les biodiesels sont moins polluants que les diesels classiques issus des hydrocarbures car ces biodiesels libèrent moins de dioxyde de carbone  dans l’atmosphère, et sont considérés comme cancérigène par l’OMS du fait de la présence par exemple de souffre dans la composition des produits de distillation du pétrole. Cependant, cette méthode n’est pas encore prête à voir le jour. En effet après avoir réalisé au bout de 7 ans la phase consistant à établir la preuve qu’il est possible de produire de l’isobutène à partir de glucose, cette méthode entre maintenant dans une phase de développement afin de produire l’isobutène à l’échelle du laboratoire. Il faudra aussi par la suite développer le procédé à l’échelle industrielle.

En approfondissant, on pourrait éviter l’utilisation des cultures agricoles alimentaires, en utilisant la cellulose issue des déchets agricoles ou bien utiliser des bactéries photosynthétiques comme des micro-algues afin de synthétiser l’isobutène seulement à partir de lumière, de dioxyde de carbone d’eau ! Même si cette application nécessite encore des années de développement, elle représenterait un avantage considérable d’un point de vue environnemental et bien sûr économique.

  • Environnement

La contamination de l’eau à l’arsenic est un problème majeur dans le monde particulièrement dans les pays pauvres tel que le Bangladesh. Il provient de sources naturelles comme les volcans, mais sa présence est majoritairement due à l’activité humaine comme l’exploitation minière, à l’utilisation de centrales électriques au charbon ou l’utilisation excessive et non contrôlée de pesticides et de substances chimiques utilisées dans le traitement du bois. L’arsenic est emprisonné dans le sol et se retrouve dans les rivières et nappes phréatiques ou bien dispersé par le vent.

Or, les procédés traditionnels de détection utilisant la fluorescence sont beaucoup trop chers, difficiles et nécessitent l’envoi d’échantillon d’eau aux laboratoires. Il est dorénavant possible depuis 2006 grâce à une équipe de l’université d’Edimbourg de détecter l’arsenic  dans l’eau grâce à des bactéries Escherichia coli à moindre coût. En effet, ils ont réussi à isoler un gène responsable du système de détoxification s’activant en présence d’arsenic. Celui-ci a été couplé artificiellement au gène présent dans le processus de dégradation du lactose. Ainsi, lorsque la bactérie est en contact avec de l’arsenic, celle-ci va synthétiser de l’acide lactique acidifiant le milieu. Cette acidification est facilement détectable par un test au papier pH. [14]

Ce même modèle est applicable pour la détection de beaucoup d’autres substances nocives comme la dioxine, les dérivés chlorurés, les métaux lourds, des explosifs (RDX et 2,4- DNT) ou pour repérer les mines anti-personnelles. Il sera possible de coupler l’action des biodétecteurs avec des bactéries capables de dégrader directement des produits toxiques comme les organophosphates présents dans beaucoup de pesticides. [15]


Figure 5 : Voie métabolique simplifiée de la synthèse d'isobutène à partir de glucose [16]

La biologie de synthèse est un tout nouveau domaine permettant d’ouvrir de nombreuses voies inaccessibles auparavant. Grâce à son développement, il est dorénavant possible de synthétiser du caoutchouc ou l’artémisinine, molécule utilisée afin d’inhiber la propagation de la malaria, à un rendement élevé et à moindre coût. Cette technologie est très prometteuse dans de nombreux domaines comme l’énergie ou l’environnement. Cependant, la biologie de synthèse fait face à des inquiétudes et rencontre de nombreux problème éthiques de par le fait qu’elle crée, manipule et transforme des êtres vivants et s’en sert comme une machine. En effet, il existe des risques de dissémination de gènes à travers les transferts horizontaux. De plus des organismes pathogènes ou des produits chimiques synthétisés pourraient être utilisés comme armes biologiques. Par ailleurs le développement de la biologie de synthèse peut entraîner la destruction des marchés traditionnels déjà existants faisant vivre de petits producteurs et modifier l’économie déjà présente. Ainsi il est important d’ouvrir le dialogue et de contribuer à la diffusion de la connaissance afin que la société soit prête à de tels changements.


Bibliographie


[1] Le CNAM-Observatoire de la biologie de synthèse. Qu’est-ce que la biologie de synthèse ? http://www.knowtex.com/nav/observatoire-de-la-biologie-de-synthese_38940 [Page consultée le 26 Mars 2015]

[2] François Képès. La biologie de synthèse plus forte que la nature ? Ed by : Le Pommier. 2011

[3] Génopole. Biologie de synthèse. http://www.genopole.fr/IMG/pdf/101207_biologie_synthese_DP.pdf  [Page consultée en Avril 2015]

[4] Assemblée Nationale Sénat, FIORASO, G, députée. (15 février 2012). Rapport d’information, Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques Rapport sur les enjeux de la biologie de synthèse. http://www.assemblee-nationale.fr/13/rap-off/i4354.asp [Page consultée le 13 mars 2015]

[5] : BOURGAIN Catherine. L’artémisinine, emblème du meilleur des mondes de la biologie de synthèse.  http://sciencescitoyennes.org/artemisinine/ [Page consultée le 20 avril 2015]

[6] LUCAS Thierry. Biologie de synthèse : la fabrique du vivant en mode industriel. L’usine nouvelle. 07 février 2013, n°3317. http://www.usinenouvelle.com/article/biologie-de-synthese-la-fabrique-du-vivant-en-mode-industriel.N190952 [Page consultée le 20 avril 2015]

[7] HALE Victoria, D. KEASLING Jay, RENNINGER Neil, T.DIAGANA Thierry. Microbially Derived Artemisinin: A Biotechnology Solution to the Global Problem of Access to Affordable Antimalarial Drugs. American Society of Tropical Medicine and Hygiene, 2007. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1717/ [Page consultée le 26 avril 2015]


[9] COELHO, Pedro, S.; FARROW, Mary, F.; SMITH, Matthew, A. PATENTSCOPE. 1. (WO2014066892) DE NOVO METABOLIC PATHWAYS FOR ISOPRENE BIOSYNTHESIS. https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2014066892&recNum=1&maxRec=&office=&prevFilter=&sortOption=&queryString=&tab=PCTDescription [Page consultée en mai 2015]

[10] Dr. J. COLAT-PARROS, Dr. PH. CHOUSSAT, Dr. F. JORDANA. Campus.cerimes.fr. La gutta-percha. http://campus.cerimes.fr/odontologie/enseignement/chap20/site/html/1.html. [Page consultée en mai 2015]

[11]Wikipédia.Diméthylallyl-pyrophosphate.


[12] chemistry.umeche.maine.edu. Biosynthesis of Sterols – II. http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Cholest2.html. [Page consultée en mai 2015]


[14] GreenFacts. Arsenic.http://www.greenfacts.org/fr/arsenic/index.htm.[Page consultée en …. 2015]

[15] La biologie de synthèse : développements, potentialités et défis. http://www.annales.org/ri/2010/ri-fevrier-2010/Kepes.pdf