Doc

BIOLOGIE et BIOTECHNOLOGIE
I ] La biologie
1) Définition
La biologie est une science regroupant les disciplines étudiant la vie comme la biologie animale,
végétale, cellulaire, moléculaire, génétique, immunologie, neurosciences, biochimie...
2) Qu'est ce que la vie ?
Il faut pouvoir la distinguer de la matière inerte. Les critères qui sont habituellement reconnus sont :
- capacité reproductive
- capacité de faire ses propres synthèses chimiques
- croissance
- sensibilité ou mouvement
Plusieurs de ces propriétés peuvent se retrouver dans la matière inerte mais chez les êtres vivants, elles
sont présentes simultanément avec un degré d'expression extrêmement complexe.
3) Les grandes étapes de la biologie à travers l'histoire
Jusqu'en 1950, la biologie est essentiellement une science descriptive de la nature, c'est une science
d'observation utilisant l’œil puit le microscope ce qui permettait d'obtenir un grossissement *1000. Il
fallait effectivement, connaître, décrire, classer les êtres vivants ce qui a aboutit à la classification des
organismes végétaux, animaux, microorganismes.
A partir de 1950, les progrès techniques tels que la microscopie électronique (grossissement * 10^6), la
radioactivité, l'ultracentrifugation qui permet une vitesse de 100000g, l'électrophorèse sont les
principaux progrès techniques qui ont permis une recherche au niveau moléculaire d'où le boum de la
biologie moléculaire.
Quelques grandes dates :
1953 : découverte de la double hélice de l'ADN par Watson et Crick
1960 : élucidation du code génétique par Crick et Brenner
1985 : mise en place d'un programme génome humain qui a pour but de d'élucider l'analyse
moléculaire de ADN humain 23 paires de chromosomes, 3*10^9 bases. Ce programme fonctionne dans
différents pays : USA, GB, FR, Italie, Japon
1992 : carte globale du génome humain, carte de première génération qui peut être comparée à
la carte de la terre dessinée par Christophe Colomb
1995 : carte de deuxième génération proposée par J. Weissenbach grâce au Généthon (France)
..... : aboutissement complet de l'ensemble du génome humain
II ] Biotechnologie
1) Définition
Transformation des connaissances en actions. On entend par biotechnologie, l'utilisation d'organismes
vivants ou de molécules issues d'organismes vivants pour des technologies à application industrielle et
commerciale. Les biotechnologies nécessitent une convergence des connaissances en biologie, elles
nécessitent une réalité technique (savoir utiliser des machines, des matériaux), et une réalité de
l'industrie.
La biotechnologie est une science pluridisciplinaire
2) Historique
a) Les biotechnologies "archaïques"
a1) Pain, vin, chanvre
Depuis les temps les plus reculés, l'homme a utilisé des microorganismes comme les bactéries, les
levures, les moisissures pour préparer ses boissons (vin, bière) ou les a utilisé pour ses aliments (pain,
fromage) et pour ses vêtements (lin chanvre). Il les a utilisé bien avant même que l'existance de ces
microorganismes n'est été reconnu et étudiée au XIX siècle
a2) Les microorganismes ( bactéries, levures, moisissures)
Les bactéries : Les bactéries sont unicellulaires. Elles ont dans la majorité une taille de l'ordre du
micron et leur classification est faite suivant leur forme (morphologie) :
- Sphérique ou Cocci
- Cylindrique ou Bâtonnet
- Spiralée ou Hélicoïdale
Beaucoup présentent des flagelles qui leur permettent de se déplacer. Les bactéries appartiennent aux
protistes inférieurs, ce sont des procaryotes (pas de membrane nucléaire, l'ADN se trouve dans le
cytoplasme)
Un million de bactérie sont connues et sont classées.
Exemples de bactéries :
Les bactéries acétiques : acétobactéries, gluconobacteries utilisent l'oxydation de l'alcool éthylique en
acide acétique, c'est la fabrication traditionnelle du vinaigre à partir de vin, cidre, pomme de terre,
malte
Les bactéries lactiques : lactobacillus, streptococus se trouvent naturellement dans le lait et elles
transforment le sucre qui se trouve dans le lait (lactose), elles l'oxydent en acide lactique (acidification
du lait) et provoquent sont aigreur spontanée. Ces bactéries sont utilisées dans la fabrication des
fromages, elles participent aux deux étapes : la formation du caillet et la maturation de celui-ci. Ces
bactéries sont aussi utilisées dans la fabrication du beurre qui nécessite l'acidification de la crème qui
est provoquée par ce type de bactéries.
Les moisissures : Les moisissures appartiennent selon la qualification aux protistes supérieurs ou
eucaryotes. Elles ont un noyau, ce qui fait que l'ADN est entouré d'une membrane nucléaire. Les
moisissures sont des champignons microscopiques qui possèdent les principaux caractères des
champignons, elles sont utilisées en fromagerie, en charcuterie et dans les industries chimiques et
pharmaceutiques.
Exemples de moisissure :
Pénicillium roqueforti, pénicillium camenberti : ces moisissures interviennent dans les premiers stades
de transformation du caillet et jouent un rôle primordial dans l'affinage des fromages.
Les moisissures sont composées de mycélium comportant des spores contenus dans des asques. Il
existe des centaines de milliers de moisissures.
Les levures : les levures appartiennent aux protistes supérieurs ou eucaryotes. Ce sont des champignons
supérieurs qui ont perdu la propriété de former un mycélium cénocytique (micelium = appareil
végétatif, cenocytique = contient plusieurs noyaux). Ces levures sont unicellulaires. Leur taille est de 1
à 5 microns de largeur, 5 à 50 microns de longueur, pas de flagelle donc immobiles. Il existe plus de
10000 espèces de levures.
Exemples de levures :
Saccharomyce cérévisiae : cette levure se trouve naturellement dans les grains de raisin mur. Elle
effectue la fermentation alcoolique des sucres contenus dans le jus de raisin pour produire l'alcool
éthylique+ CO2 (vin)
a3) Respiration - fermentation
a3-1) Energie chimique, chaîne respiratoire
La plupart des microorganismes sont incapables d'effectuer la photosynthèse. C'est à dire d'utiliser
l'énergie lumineuse (solaire) pour faire leur propre synthèse. Donc ces microorganismes vont donc
utiliser l'énergie libérée au cours de réactions chimiques d'oxydation. On dit que ce sont des
chimiotrophes.
Réactions d'oxydation par :
- perte d'électrons : Fe2+ -> Fe3+ + e- + énergie
- perte d'H2 : RCH2OH (alcool) -> R-CH=O (aldéhyde) + 2H+ + 2e- + énergie
- hydratation : déshydrogénation
No2- (nitrite) + H20 -> NO3- (nitrate) + 2H+ + 2e- + énergie :
chimiolitotrophes (à partir d'un substrat minéral)
RCH=O (aldéhyde) + H2O -> RCOOH (acide) + 2H+ + 2e- + énergie :
chimioorganotrophes (à partir d'un substrat organique)
Dans la plupart des réactions, il y a perte d'électrons couplée à une perte de protons, perte d'énergie.
Ces protons et ces électrons vont par un transfert plus ou moins long aboutir à la réduction d'un
accepteur final. Cette chaîne constitue la chaîne respiratoire
NRJ
NRJ
NRJ
Substrat -> H+ e- ----> H+ e- ------>H+ e- ------> réduction d'un accepteur final
ADP+P -> ATP
ADP+P -> ATP
ADP+P -> ATP
|________________________________________________________| Haine respiratoire
-coenzyme oxydé
|
enzyme
|
|
-coenzyme réduit
|
La synthèse d'ATP est la façon pour la cellule de stocker l'énergie qui sera ensuite utilisée par celle ci
pour toute les réactions du métabolisme
a3-2 ) Respiration
L'accepteur final est l"oxygène. On parle donc de respiration ou métabolisme oxydatif. Il y a
dégradation complète du substrat organique en gaz carbonique dans le cas ou un organisme est capable
de respiration
Certains microorganismes ne peuvent fonctionner que dans des conditions d'aérobie stricte. Au cours
de la dégradation, le flux des électrons et des protons a pour accepteur final l'oxygène
ex : C6H12O6 + 6O2 -> 6 CO2 + 38 ATP + 688 kcal
Certains microorganismes ne peuvent fonctionner que dans des conditions anaérobiques stricte. Le flux
des électrons et des protons sera une substance minérale tel que nitrate, sulfate ou carbonate. On aura
une dégradation complète du substrat organique.
ex : C6H12O6 + 6SO4- -> 6 CO2 + 38ATP + 6 SO2- + 300 kcal
Ce type de microorganismes n'est pas utilisé pour les biotechnologies
a3-3 ) La fermentation
Dans le cas où l'accepteur final est un composé organique, on parle de fermentation ou métabolisme
fermentaire. Dans ce cas, on aboutit à une dégradation incomplète du substrat. On distingue
- la fermentation lactique. Ces microorganismes ne fonctionnent que dans le cas d'anaérobie stricte.
Dégradation incomplète du substrat, on aboutira à une molécule organique. Le flux des électrons et des
protons aura pour accepteur final un molécule organique endogène (produit dans la cellule)
Ex :Acide piruvique
COOH
|
C=O
|
CH3
ex : bactérie lactique : lactose -> galactose + glucose
C6H12H6 -> 2 CH3-CHOH-COOH ( acide lactique, rendement 2%) + 22,5 kcal + 2 ATP
L'accepteur du flux d'électron et de proton est l'acide piruvuque
- La fermentation alcoolique : Les levures sont capables de faire des fermentations alcooiques par
contre les bactéries sont peu nombreuses à faire cette fermentations. La fermentation s'effectue dans
des conditions anaérobiques facultative. Dégradation incomplète du substrat organique qui permet
d'aboutir à une molécule organique. L'accepteur final du flux d'électrons et des protons quand il y a de
l'oxygène est l'oxygène sinon une molécule organique endogène (acide piruvique par exemple).
ex : levure : Saccharomyce cerivisiae
C6H12O6 -> 2 CO2 + 2 CH3-CH2-OH + 2 ATP + 54 kcal
Le pourcentage d'éthanol est d'autant plus important que l'oxygène est présent. Mais ne dépasse pas 51
% pour une mol de glucose.
b) Les biotechnologies anciennes
Elles ont permis la production d'enzymes, d'antibiotiques, d'acides aminés, soit à partir de
microorganismes, soit à partir d'espèces végétales ou animales.
b-1) Les enzymes
Un enzyme est une protéine qui catalyse la transformation d'un substrat en produit et qui se retrouve
intact à la fin de la réaction. Le premier enzyme produit est l'amylase. Cet enzyme permet à partir de
l'amidon (n C6H12O6 polyside) de donner du glucose, du maltose (2 unités de glucose) et des
dextrines par catalyse, ce qui correspond à des embranchements dans l'amidon.
La première amylase obtenue en 1914 a partir de moisissures : Aspergillus oryzae. L'amidon représente
la principale réserve glucidique du mon végétal. 18 millions de tonnes sont extraits à partir du Mais, de
pommes de terre ou de blé (29 millions de tonnes à partir desquels est extrait l'amidon). Cet amidon va
être transformé par une amylase (produite à partir de la moisissure aspergillus orizae dans un
fermenteur de 1000 l on obtient 20 kg d'enzymes en 2 heures). On obtient du glucose, du maltose, des
dextrines
Donc la bioconversion dans l'industrie va fournir des produits qui vont être utilisés dans les boissons,
en confiserie, dans les biscuits : domaine alimentaire. Elle sont aussi utilisées pour les sirop dans le
domaine pharmaceutique. Depuis, de nombreux enzymes ont été obtenus à partir d'espèces végétales ou
animales, 90 % d'entre eux étaient essentiellement des hydrolases. Ce sont des enzymes qui sont
capables d'hydrolyser un certain nombre de substrats avec la création d'un certain nombre de
molécules.
Origine végétale :
- papaïne (originaire de la papaye) est utilisée dans la conversion de la bière pour lui donner
une bonne stabilité colloïdale à faible température pour empêcher la formation de trouble résultant de la
présence dans la bière de protéines.
Origine animale :
- Lysozyme (originaire du blanc d’œuf). il est utilisé comme agent bactériostatique, c'est à dire
que cet enzyme est capable d'hydrolyser les liaisons glucidiques des membranes de certaines bactéries.
Empêche la bactérie de développer sa paroi cellulaire donc lysozyme = anti-bactérien
La plupart de ces enzymes est utilisés dans les usines de détergeant, dans les papeteries, dans
l'agroalimentaire, en pharmacie.
b-2) Les antibiotiques
Les antibiotiques sont des substances produites par des microorganismes capables d'inhiber ou de
détruire d'autres microorganismes. Le premier anti-biotique a été la pénicilline qui est due aux travaux
de FLEMING en 1929. La pénicilline a été obtenue à partir de pénicillium notatum qui est une
moisissure. Sa production industrielle par fermentation a été possible entre 1940 et 1948. Les
découvertes successives des antibiotiques ente 1939 et 1959 ont conduit à plus de 4000 découvertes.
Leur intérêt économique provient de l'utilisation médicale.
b-3) Les acides aminés
Les acides aminés sont les constituants des protéines. Les acides aminés sont synthétisés dans la cellule
et sont utilisés pour la formation des protéines de la cellule. Il n'y a pas de production gratuite. Il faut
donc utiliser des bactéries mutantes pour avoir une production d'acides aminés. La mutation est obtenue
par l'utilisation d'agents mutagènes (exemple : l'acide nitreux HNO2 qui agit sur l'ADN en enlevant le
groupement NH2 de l'adénine, en enlevant le groupement NH2 de la cytosine, ce qui provoque une
perturbation dans la régulation de la biosynthèse de l'acide aminé (exemple : l'acide glutamique).
L'acide aminé est excrété et on peut le récupérer. L'acide gutamique est surtout utilisé par les japonais
pour tout ce qui et conservation d'aliments et pour donne la saveur à certains aliments. La composition
du milieu de culture est très importante et constitue un secret de fabrication.
c) Les biotechnologies nouvelles
Elle repose essentiellement sur :
c-1) La biologie moléculaire et le génie génétique
Les découvertes ininterrompues qui ont édifiées la génétique depuis les travaux de MENDEL en 1866
et en biologie moléculaire depuis les travaux sur l'ADN de WATSON et CRIK en 1953 ont démontré
toute la complexité du vivant, sa logique moléculaire, son extrême diversité. Les technologies de la
biologie moléculaire et du génie génétique permettent désormais par une technique mise au point en
1983. La technique du PCR (Polymease chain reaction) permet d'effectuer la duplication de
nombreuses copies d'un fragment d'ADN. Ainsi, à partir d'une goutte de sang qui contient 10^-15
gramme d'ADN, on peut obtenir en 2 heure 10^-9 g d'ADN (on multiplie par 10^6) ce qui permet donc
une étude plus facile. De nombreuses techniques permettent actuellement l'identification du ou des
gènes gouvernant telle ou telle maladie héréditaire chez l'homme. Pour le moment il y a environ 4000
maladies héréditaires (exemple : la mucoviscidose qui entraîne un épaississement des sécrétions
pancréatiques et bronchiques avec une augmentation de la concentration du cl- dans la sueur. Les
personnes atteintes meurent d'infection pulmonaire. On a localisé le gène qui code pour un canal
ionique, le canal chlore, ce gène se trouve sur le chromosome 7. Ce gène est constitué de 250 000
bases. Les myopathies qui entraînent des dystrophies musculaires (myopathie de duchen a été localisée
sur le chromosome X, elle n'affecte que les garçons. Le gène responsable de ces dystrophies
musculaires et constituée de 2 à 3 millions de bases, la protéine de ce gène existe à l'état normal, la
maladie est due à des délétions)). La médecine pourra prévoir quelles sont les personnes à risque par
rapport à ces maladies.
Le génie génétique désigne tous les travaux de recombinaison de l'ADN. Il est possible de réaliser un
être vivant transgénique animal ou végétal où l'on a introduit un ADN étranger.
a) La transgénése des plantes
Exemple : le maïs transgénique contient 3 gènes. Le premier qui lui confère une propriété insecticide
dirigé contre la pyrale qui est un grand ravageur des cultures de maïs. Et cela grâce à une bactérie :
bacillus thurengiensis. Le deuxième est un gène herbicide. Le troisième de résistance à un antibiotique :
l'ampicilline
b) Tansgénese animale
Dans le cas d'un animal, il s'agit d'introduire un ADN étranger dans un ovocyte fécondé par un
spermatozoïde puis de réintroduire cet ovocyte fécondé dans l'animal qui suivra une embryogénése
normale. Cet ADN étranger contient un gène qui fabrique une protéine qui s'appelle facteur 8, ce
facteur 8 étant un agent coagulant
c-2) Les protéines et l'ingénierie protéines
Il existe chez les êtres vivants des millions de protéines et à l'heure actuelle, nous ne connaissons la
structure que de quelques centaines de protéines. Cette étude est basée sur la cristallographie des
rayons x. Il faut à peut près 7 ans à une équipe de 5 personnes qui travaillent à plein temps pour
déterminer la structure d'une protéine. Cette étude de structure est nécessaire pour l'utilisation et la
fabrication de protéines en milieu industriel. Le prix d'un protéine dépend de son degrés de purification.
Un kilo d'amylase coûte 50 FR par contre des enzymes tels que l'interferon (utilisé dans le traitement
des leucémies) est très coûteux. L'urokinase thérapeutique coûte un million de francs par kilo.
L'industrie des biotechnologies nouvelles qui permettent d'aboutir à une production de protéines à
usage thérapeutique ou industriel à un coût raisonnable. L'insuline utilisée pour diminuer la glycémie
est créée industriellement depuis 1982. L'interferon à partir de 1986.
c-3) Les anticorps monoclonaux et l'immunologie
La production d'anticorps monoclonaux a été rendue possible par le développement des hybridomes qui
sont des lignées de cellules immortalisées qui produisent des anticorps. Cet hydrome provient de la
fusion d'une cellule de ganglion lymphatique de vertébré à anticorps spécifique avec une cellule
tumorale. En conséquence, on éternise l'hybridome en conservant le caractère producteur d'anticorps.
En 1992, seul 2 à 3 anticorps monoclonaux ont obtenus une autorisation de mise sur le marché sur une
centaine demandée. Les anticorps monoclonaux sont surtout efficaces lors de la transplantation
d'organes
c-4) Les technologies
L'essor des biotechnologies se trouve lié de façon étroite au développement des technologies de
l'informatique puisque de plus en plus on a des problèmes de robotisation, de modélisation, de
l'électronique qui accompagne une instrumentation toujours plus précise et performante
III ] Les enjeux financiers des biotechnologies
Les biotechnologies constituent un enjeu majeur pour la société de demain. Elle représente des enjeux
financiers importants.
Estimation des marchés et parts de marché des biotechnologies en 2000