biotechnologie

Au pluriel, industries employant ces techniques, notamment dans les domaines agricole et agroalimentaire, dans la chimie et dans l'industrie pharmaceutique.

De la sélection agricole aux biotechnologies

Bien avant l'avènement des biotechnologies, l'homme a su modifier le vivant, en contrôlant la reproduction des animaux d'élevage et des plantes cultivées.

Devenu, dès le VI^e millénaire avant notre ère, éleveur et agriculteur, puis horticulteur, l'homme contrôle les croisements au sein des espèces domestiques pour en améliorer certains caractères, mettant ainsi au point et affinant les techniques de sélection agricole. Rapidement, il tire parti de l'action de certains micro-organismes pour son alimentation (sans toutefois en deviner l'existence) et crée de nouveaux produits tels que le pain, les produits laitiers et les boissons alcoolisées.

Après l'invention du microscope, au xvii^e s., le xviii^e s. voit l'avènement de la biologie expérimentale. À la fin du xix^e s., Louis Pasteur (1822-1895) met en évidence le rôle essentiel des bactéries et démontre que l'on peut les « cultiver ». Après la découverte de la structure de l'A.D.N. (acide désoxyribonucléique) par l'Américain James Watson (né en 1928) et le Britannique Francis Crick (1916-2004), les biologistes étudient le mode d'expression des gènes portés par l'A.D.N. et mettent au point des méthodes pour les modifier. Cette révolution dans le domaine de la biologie ouvre la voie à une nouvelle discipline, le génie génétique.

Premières manipulations génétiques

Le génie génétique regroupe l'ensemble des techniques de modification du programme génétique de cellules ou d'organismes (bactéries, champignons, animaux, végétaux), notamment par incorporation de gènes d'autres espèces. Ainsi modifiés, les organismes peuvent fabriquer des protéines utiles dont la production industrielle est difficile ou impossible (hormones, facteurs de coagulation sanguine, etc.), ou exprimer des caractères nouveaux (variétés transgéniques ou O.G.M.).

En 1973, deux biologistes américains, Stanley Cohen (né en 1922) et Herbert Boyer, réussissent à associer des fragments d'A.D.N. provenant d'organismes différents (on parle alors de « clonage de gènes ») et, dès 1977, des bactéries génétiquement modifiées produisent des protéines humaines. Après les bactéries, on applique les méthodes d'incorporation de gènes aux plantes (comme le tabac en 1983) et aux animaux (la souris en 1981, le porc en 1985, le mouton en 1987, la vache en 1991…).

Transformer le vivant

On appelle transgenèse (ou transgénose) toute manipulation permettant de modifier le patrimoine génétique des organismes par l'introduction de gènes étrangers, dont l'expression conduit à une modification des caractères des organismes ainsi manipulés et qui, à ce titre, constituent des variétés nouvelles.

Les organismes génétiquement modifiés (O.G.M.)

Les bactéries, les plantes ou les animaux porteurs de nouveaux gènes sont dits « transgéniques ». Depuis le développement de leur utilisation industrielle et agricole, on les identifie également sous le sigle d'O.G.M. On peut coupler la transgenèse à une autre technique, le clonage, en vue d'applications industrielles (comme la production massive de substances thérapeutiques ou l'obtention en grand nombre de plantes à haut rendement).

Principe de la transgenèse

La cible de la transgenèse est l'A.D.N., support matériel des gènes. On utilise des protéines particulières, des enzymes, capables de découper des segments spécifiques d'A.D.N., de les « coller » ou d'en contrôler la synthèse. Chez les bactéries, la transgenèse est fondée sur trois opérations distinctes. La première consiste en l'extraction du gène à transférer. Il s'agit d'un fragment d'A.D.N. extrait d'un organisme donneur (bactérie, végétal, animal ou homme). On insère ensuite le gène sélectionné dans un plasmide, petit anneau d'A.D.N. habituellement présent dans les cellules bactériennes. Le plasmide ainsi « recombiné » est finalement introduit dans la bactérie cible qui, en se multipliant, pourra produire en grande quantité la protéine dont la structure est codée par le fragment d'A.D.N. transféré.

Bactéries et levures transgéniques

Les manipulations génétiques réalisées sur les micro-organismes trouvent des applications dans de nombreux secteurs comme les industries traditionnelles, l'agroalimentaire ou la protection de l'environnement. Dans l'industrie pharmaceutique, le transfert de gènes étrangers chez les bactéries permet la production en grande quantité de substances thérapeutiques (hormones, enzymes). Les bactéries génétiquement modifiées sont cultivées en masse dans des « bioréacteurs ».

En agriculture, les manipulations génétiques permettent de créer d'autres souches bactériennes dont les propriétés nouvelles sont utilisées pour lutter contre les parasites des cultures ou pour protéger les plantes cultivées. C'est le cas de la bactérie Pseudomonas fluorescens, qui, après manipulation génétique, synthétise une toxine permettant de lutter contre les vers blancs parasites des céréales, ou de Pseudomonas syringae, aux propriétés « antigel » (limitant la formation de gel sur les plantes).

Les plantes transgéniques

Différentes méthodes sont utilisées pour modifier le patrimoine génétique des plantes et aboutir à la création de variétés nouvelles. On utilise généralement, comme vecteur du gène à transférer, une bactérie (Agrobacterium tumefaciens) capable de parasiter les plantes en injectant dans leurs cellules son propre matériel génétique. Pour introduire un gène particulier, il suffit de l'introduire dans la bactérie, qui le transmettra ensuite à la plante.

Cette technique n'est pas encore applicable aux céréales, comme le maïs (ni aux autres plantes du groupe des monocotylédones). Pour ces végétaux, il est nécessaire de faire pénétrer les fragments d'A.D.N. directement dans les cellules. Toutefois, la paroi cellulaire constitue une barrière naturelle à la pénétration de matériel étranger. On peut alors utiliser un « pistolet » à A.D.N. (technique de biolistique), qui propulse à l'intérieur des cellules des microbilles de tungstène ou d'or recouvertes d'A.D.N., ou encore dissoudre la paroi au moyen d'une enzyme spécifique.

Contrairement à la transgenèse bactérienne, les manipulations génétiques chez les végétaux demeurent complexes, non pas dans leur réalisation technique, mais dans l'identification des gènes à introduire. En effet, de nombreux caractères, liés à la vigueur ou à la productivité des plantes, proviennent de l'expression conjointe de plusieurs gènes, soumis en outre à des mécanismes de régulation.

Les animaux transgéniques

Depuis 1982, année de l'obtention par transgénèse de souris « géantes », après transfert du gène de l'hormone de croissance, de nombreux essais réalisés sur d'autres animaux (porcs, lapins…) se sont révélés décevants. Toutefois, outre l'objectif d'augmenter la productivité du bétail, les manipulations génétiques effectuées sur les cellules animales (notamment avec des gènes humains) visent à produire des substances pharmacologiques naturelles, fabriquées normalement en très faible quantité par l'organisme (animal ou homme).

Des vaches et des brebis génétiquement modifiées produisent aujourd'hui du lait à haute teneur en éléments nutritifs, ou contenant des substances thérapeutiques. Depuis 1999, des porcs et des chèvres transgéniques se révèlent capables de produire des protéines intervenant dans la coagulation sanguine (facteur VIII, antithrombine).

Clonage et transgenèse

En biologie, on appelle « clone » l'ensemble des cellules résultant des divisions successives d'une cellule donnée sans aucune différenciation (ces cellules sont donc identiques à la cellule initiale). Un clone, c'est également un être vivant engendré par un parent unique, sans sexualité (c'est-à-dire par reproduction végétative ou asexuée) et par conséquent identique, d'un point de vue génétique, à son parent.

La reproduction asexuée est très largement pratiquée dans le monde vivant (sauf chez les vertébrés), mais elle n'exclut généralement pas une reproduction sexuée, faisant intervenir des parents de sexes différents. À partir de cellules prélevées sur un individu, on sait, en laboratoire, parvenir à un équivalent de la reproduction asexuée naturelle – le clonage – avec des plantes et des animaux (y compris des vertébrés). Le clonage peut être réalisé à partir des cellules sexuelles femelles (clones identiques entre eux, mais différents de leur parent) ou à partir d'autres cellules (clones génétiquement identiques à leur parent). Cette dernière technique est possible même chez les mammifères, depuis la naissance de la brebis clonée Dolly, en 1996.

Le clonage représente un excellent moyen de conserver les caractéristiques intéressantes exprimées par certains gènes (résistance aux agressions physiques ou biologiques, croissance, rendement…), qui risqueraient de ne pas être transmises par la reproduction sexuée. Le clonage doit ainsi assurer la stabilité génétique des variétés, condition nécessaire à la reproductibilité de leurs performances d'une génération à l'autre. Il est donc associé aux manipulations génétiques, chez les végétaux (par simple culture de cellules et de tissus) et chez les animaux (où les techniques, plus complexes, sont de mieux en mieux maîtrisées).

Risques et législation

Le premier risque lié à la multiplication des organismes génétiquement modifiés est d'ordre écologique. En introduisant dans l'environnement des bactéries ou des plantes transgéniques, on peut provoquer la diffusion incontrôlée des caractéristiques génétiques nouvelles, susceptible de perturber l'équilibre écologique des milieux naturels. Il est toutefois difficile d'évaluer le potentiel et les mécanismes de cette « contamination génétique ».

Risques liés au contrôle de la transgenèse

Pour contrôler la réussite de la transgenèse chez les plantes et les bactéries, il est nécessaire de coupler les gènes greffés à d'autres gènes, principalement des gènes de résistance aux antibiotiques (pour les bactéries) ou aux herbicides (pour les végétaux). De tels gènes jouent le rôle de « marqueurs » : ils permettent de séparer les cellules modifiées des autres cellules : soumises à l'action de l'antibiotique ou de l'herbicide contre lequel le gène marqueur apporte une résistance, ces dernières sont éliminées et on recueille les cellules modifiées pour les mettre en culture et obtenir des bactéries ou des plantes transgéniques.

Ce couplage de gènes présente toutefois un facteur de risque non négligeable. En effet, les plantes issues de la transgenèse conservent le gène marqueur dans leurs cellules et, selon certains spécialistes, pourraient le transmettre (par des mécanismes encore hypothétiques) à des plantes parasites de cultures (« mauvaises herbes »), celles-ci devenant par exemple résistantes aux désherbants. En outre, les gènes de résistance à certains antibiotiques utilisés pour sélectionner les bactéries transgéniques pourraient être transmis aux bactéries du système digestif humain ou animal. Cela aurait pour conséquence de rendre l'organisme plus vulnérable aux maladies d'origine bactérienne, risque trop important pour continuer à utiliser ces gènes.

Cependant, on peut utiliser d'autres gènes marqueurs. Ainsi, des chercheurs de l'université Rockefeller de New York sont parvenus, en 1999, à isoler les cellules transgéniques grâce à un gène marqueur responsable de la synthèse d'une hormone de croissance de la plante, la cytokinine, dont l'activité est déclenchée de manière chimique. L'éventuelle diffusion de ce gène marqueur à d'autres plantes ne semble pas présenter de risque.

Santé publique et problèmes éthiques

On évalue actuellement les risques que présenteraient les O.G.M. pour la santé humaine ou animale. Les protéines nouvelles élaborées par les O.G.M. peuvent en effet exprimer des propriétés allergènes ou toxiques. En 1998, une équipe de chercheurs écossais alerte ainsi l'opinion publique sur les risques liés à la consommation d'aliments génétiquement modifiés (affaire « Pustzai ») : ils révèlent que des rats de laboratoire nourris avec des pommes de terre transgéniques accusent une baisse de leurs défenses immunitaires ainsi qu'un retard de croissance.

Toutefois, si l'utilisation d'organismes génétiquement modifiés génère des risques potentiels non négligeables (et difficilement évaluables du fait du manque de recul), ils sont à étudier en tenant compte des risques qu'engendrent les procédés agricoles actuels (utilisation de pesticides chimiques, modification du patrimoine génétique des espèces par sélection). Certains scientifiques comparent également ces risques génétiques à l'action naturelle de l'environnement sur les organismes (apparition d'espèces nouvelles ou disparition d'espèces au cours de l'évolution biologique).

En fait, bien que le débat public et la législation sur les O.G.M. s'articulent autour des risques que ces organismes pourraient représenter, leur mise au point et leur usage soulèvent d'autres problèmes, d'ordre éthique, concernant le droit de l'homme à transformer le vivant.

Législation

Depuis le 13 juillet 1992, la loi française fixe les conditions d'expérimentation, d'utilisation et de dissémination des O.G.M. En vertu du « principe de précaution », l'autorisation de mise en culture n'est accordée qu'aux variétés ne présentant ni risque de dissémination, ni risque sanitaire lié à la consommation. En outre, l'agrément de commercialisation d'une plante génétiquement modifiée se trouve assorti d'une période de surveillance, avec possibilité de retrait du marché (comme aux États-Unis), et fait l'objet d'un suivi écologique de longue durée.

Depuis le 2 septembre 1997, une directive européenne impose l'étiquetage des produits alimentaires afin d'avertir le consommateur de la présence d'ingrédients issus du génie génétique. En outre, le gouvernement français a lancé un vaste programme visant à développer le dispositif d'informations des citoyens (conférences, débats, étiquetage plus précis des aliments…) et à renforcer l'impact des associations environnementales et des représentants des consommateurs au sein d'une Commission du génie biomoléculaire (C.G.B.) chargée d'évaluer les risques liés aux O.G.M. Deux autres dispositifs ont été mis en place : l'Agence de sécurité sanitaire des aliments, chargée d'évaluer les risques sanitaires liés au développement des plantes génétiquement modifiées, et le Réseau de biovigilance, chargé du suivi des cultures d'O.G.M.

Les bio-industries

Depuis les années 1980, les progrès du génie génétique ont permis le développement des bio-industries ; leur marché, celui des biotechnologies, englobe plusieurs domaines, notamment l'agroalimentaire, l'agriculture et l'industrie pharmaceutique.

Agriculture et agroalimentaire

Les biotechnologies végétales ont pour principal objectif d'optimiser la production en améliorant les rendements et la lutte contre les agents pathogènes. Les manipulations génétiques ont donné naissance à de nouvelles variétés : plantes résistantes aux herbicides, ou au « stress » (acidité du sol, gel, sécheresse) ; céréales immunisées contre certains virus ; tomates à maturation retardée ; soja riche en protéines ; fleurs aux couleurs inhabituelles ; plantes « insecticides » (fabriquant une protéine létale pour les insectes).

Les industries traditionnelles de fermentation utilisant des levures ont été les premières à bénéficier des avancées biotechnologiques : vinification, brasserie, industrie laitière. Depuis, de nouvelles voies de production industrielle par les micro-organismes se sont ouvertes : synthèse d'arômes, d'acides aminés, de vitamines, etc. En outre, la richesse de certaines levures en protéines et en vitamines a conduit à les fabriquer industriellement, pour l'alimentation animale ou humaine.

Industrie pharmaceutique

La production industrielle de pénicilline en 1941 marque le début de l'utilisation des biotechnologies dans l'industrie pharmaceutique. Avec l'avènement du génie génétique, la production en masse s'applique aujourd'hui à d'autres molécules (vitamines, vaccins, hormones, anticorps et enzymes).

L'insuline (hormone utilisée pour lutter contre le diabète), l'hormone de croissance (utilisée dans certains cas de nanisme) ou encore le facteur VIII (enzyme nécessaire à la coagulation du sang chez les hémophiles) sont aujourd'hui produits industriellement par des bactéries génétiquement modifiées (généralement Escherichia coli). C'est également le cas de certaines substances capables de dissoudre les caillots sanguins ou de stimuler la production de globules rouges (érythropoïétine), ou encore de l'interféron, substance aux propriétés antivirales synthétisée en très faible quantité par certaines cellules humaines. L'introduction du gène humain codant l'interféron au sein de bactéries permet la production de la substance en grande quantité, ce qui rend possible son utilisation dans le cadre de traitements contre certaines formes de leucémie et de cancers.

Les plantes comme les animaux sont également employés en pharmacologie pour produire certaines substances spécifiques telles que les facteurs de coagulation sanguine, les lipases utilisées pour soigner la mucoviscidose, l'albumine humaine (synthétisée par les pommes de terre), les immunoglobulines (synthétisées par les plants de tabac).

Les biotechnologies permettent aussi la fabrication de nouveaux vaccins plus efficaces ou permettant de lutter contre des maladies jusque-là incurables. Ces vaccins reposent sur deux principes distincts créés par le génie génétique : l'utilisation de protéines virales ou bactériennes pathogènes produites par des micro-organismes génétiquement modifiés, ou bien l'utilisation d'un agent pathogène vivant mais dont la virulence a été diminuée. En outre, les recherches pharmacologiques s'orientent aujourd'hui vers la mise au point d'un vaccin (dérivé de celui contre la variole) simultanément contre plusieurs maladies, dont le sida : il s'agit de remplacer les gènes qui provoquent l'immunité contre la variole par ceux qui provoquent l'immunité contre les autres maladies.

Perspectives médicales et protection de l'environnement

En médecine, les techniques du génie génétique ont ouvert une nouvelle voie thérapeutique, la thérapie génique. Cette méthode médicale consiste à remplacer les gènes « défectueux », à l'origine de certaines affections, par d'autres gènes. On utilise généralement un virus (du groupe des rétrovirus), inoffensif, comme vecteur du gène que l'on souhaite transmettre aux cellules du malade.

Domaines de la thérapie génique

Dans l'état actuel des recherches, la thérapie génique semble particulièrement bien adaptée aux maladies causées par le déficit d'une enzyme. Par exemple, chez les patients souffrant de carence en adénosine désaminase (A.D.A.), on peut injecter, dans des cellules de la moelle osseuse, le gène responsable de la synthèse de l'enzyme. Dans le cas de certaines maladies héréditaires déterminées par la mutation d'un seul gène (mucoviscidose, myopathies), on cherche à introduire le gène manquant, ou la copie normale du gène déficient, dans des cellules sélectionnées. Dans le cas d'un cancer, on modifie certaines cellules tumorales afin d'entraîner une réaction immunitaire chez le malade.

Toutefois, la thérapie génique est encore à un stade expérimental et son développement, même s'il est prometteur, soulève de nombreuses questions d'ordre technique et éthique.

Protection de l'environnement

Si on exploite déjà les capacités épuratrices des micro-organismes dans le traitement des eaux usées ou dans le recyclage des déchets biologiques, les biotechnologies offrent de nouvelles solutions au traitement de certains déchets industriels (phénols, hydrocarbures). L'activité bactérienne de biodégradation dégage de l'énergie par fermentation et représente ainsi une alternative écologique à toutes les autres sources d'énergie. En outre, au Brésil, une partie du manioc cultivé est destinée à la production de carburant par fermentation.

En agriculture, l'emploi d'O.G.M. pourrait permettre à long terme une diminution de l'émission de pesticides et d'engrais polluants. L'application la plus prometteuse serait la fixation accrue de l'azote atmosphérique par des bactéries du sol génétiquement modifiées, voire par les plantes elles-mêmes. L'utilisation d'engrais azotés pourrait ainsi être réduite.