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.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Dim%C3%A9thylallyl-pyrophosphate.
[Page consultée en mai 2015]
[12] chemistry.umeche.maine.edu. Biosynthesis of Sterols – II. http://chemistry.umeche.maine.edu/CHY431/Cholest2.html. [Page consultée en mai 2015]
[13]GLOBALBIOENERGIEShttp://www.globalbioenergies.com/index.php?option=com_content&view=article&id=35&lang=fr*
[Page consultée en …. 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