OGM microbiens : les produits nouveaux

Atelier de formation des communicateurs sur les organismes genetiquememt
modifies (OGM), MINEF, Limbe, 9-10 decembre 2003
OGM microbiens : de la theorie aux produits nouveaux
NWAGA Dieudonné
Unité de Microbiologie Appliquée et Biofertilisants (UMAB),
B.P. 812, Faculté des Sciences et Laboratoire de Microbiologie,
Centre de Biotechnologie, Université de Yaoundé I, Cameroun.
E-mail : [email protected]
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1-INTRODUCTION
La découverte de la structure du génome des organismes vivants par Watson et Crick en 1953,
puis celle de son séquençage il y a 30 ans a profondément changé la biologie de nos jours.
Mais avant les travaux de Pasteur, Koch et Leuwenhoek au 19e et 17e siècle, sur les
microorganismes on utilisait déjà les microbes dans l’antiquité pour la production alimentaire
(bière, vin, pain). Les pays du sud sont d ’importants réservoirs pour la diversité biologique
(plantes, animaux, microbes). Cette biodiversité, prélevée dans les pays du sud est valorisée
surtout dans les pays du nord par les biotechnologies. Les biotechnologies exploitent les
propriétés des organismes vivants (surtout les microbes) pour la production de biens et de
services. Pendant longtemps, ces biotechnologies ont utilisé des méthodes dites
« classiques »:
sélection,
mutation
et
modification
du
cycle
sexuel.
Exemple: la pénicilline. Antibiotique produit par un champignon microscopique du sol:
Penicillium.
La souche originelle P. notatum produisait 2 unités/ml, la souche industrielle
sélectionnée P. chrisogenum NRRL 1951, 100 unités/ml. Actuellement, les souches obtenues
avec les méthodes « modernes » atteignent 50.000 unités/ml.
Les micro-organismes
Ce sont les protistes qui sont unicellullaires tels que ; euglène, paramécie et Plasmodium.
Les champignons qui sont multicellulaires, sauf les levures exemples les
bolets :
champignons comestibles, moisissures, qui sont souvent responsables de deteriorations
alimentaires, les champignons mycorhiziens qui realisent une symbiose benefiques pour
toutes les cultures. Les bactéries telles que E. coli, bacterie martyr et veneree, Agrobacterium
tumefaciens, utilisee pour transformer les cellules vegetales en plantes transgenique ; les
rhizobia, bacteries symbiotiques des racines de legumineuses telles que l’arachide ou le soja.
Les virus qui sont des parasites intracellulaires obligatoires de cellules animales vegetales ou
microbieennes, exemple de maladie virale et de virus : Ebola, grippe, SIDA (HIV), phage T4
(bacteriophage), polio, VMT (virus de la mosaique du tabac).
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Ils representent une importante diversité de taille de 10 a 800 nm pour les virus, de 0,5 a 5 um
pour les bacteries et des tailles superieures a 10 um pour les cellules eucaryotes (protistes et
champignons microscopiques).
La classification du monde vivant selon Whittaker est constituee de 5 règnes alors que pour
Woese, il s,agit de 3 domaines : les Archéobactéries, les Eubactéries (animaux, plantes,
champignons et protistes).
Où vivent les microorganismes ?
Dans le sol, de 103 à 108 cellules par g de terre arable, dans l’eau, surtout les eaux polluées,
dans l’air, surtout les spores de champignons, les aliments non pasteurisés sont très riches en
microorganismes, le corps humain, animal et les végétaux, les environnements extrêmes
(chauds: 90 degres, salés ou sans oxygène).
Comment cultive t-on les microorganismes ?
Pour la plupart, c’est facile sur un milieu nutritif stérilisé adéquat, pour les virus et les
bactéries parasites intra-cellullaires obligatoires, on utilise des cellules vivantes.
Quels sont les rôles et intérêts des microorganismes ?
Les bénéfices des microorganismes sont : le recyclage des nutriments et déchets dans la
nature, la dépolluent le milieu (pesticides, xénobiotiques, ), l’agriculture (biofertilisants,
biopesticides, protéines POU, ), agro-alimentaire (fermentations: vin, yaourt, fromages),
l’industrie et la médecine (acides aminés, acides organiques, antibiotiques, médicaments,
vaccins, ).
Ils sont aussi néfastes, car ils provoquent des maladies chez les humains, les animaux et les
cultures ; ils entraînent aussi des détériorations alimentaires et d’autres matériels (papier,
cuir, murs, bois).
Comment se reproduisent les microrganismes ?
Pour les champignons et autres eucaryotes, une reproduction sexuée (ou il y’a recombinaison
genetique) et asexuée (conforme au parent) Pour les bactéries: par division binaire. Exemple
chez E.coli, 1 cellule donne 2 cellule-filles toutes les 20 mn et 10 cellules donnent 10
millions de cellules-filles en 24 h. La croissance est de type exponentielle de base 2. Taille et
organisation de l ’information génétique chez les microbes. Pour les virus, un phage T4
infectant une bacterie donne 100 bacterie-fille en 24 heures..
Quelle est la taille de l’information génétique ?
Le mutations fréquentes sont plus frequence (10-2 à 10-3 pour les virus et 10-6 pour les
bactéries): ce produit constitue une grande source de variabilité génétique. La taille de
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l ’information génétique (génome) varie de 3 genes, exemple du virus de l’hépatite B: 3 kpb
du bacille : bactérie: 3 000 kpb d’une cellule humaine eucaryote: 3 000 000 kpb.
Structure d’une bactérie
Une bacterie comprent 1 chromosome circulaire, des plasmides (genes de resistance aux
antibiotiques, toxines, tueurs).
Pourquoi sont-ils spécifiques ?
Se multiplient extrêmement rapidement, s’adaptent très facilement à un nouvel
environnement, ont un métabolisme très actif, intègrent vite une nouvelle information à leur
génome.
Objectifs
Former et informer le public, les média sur la biosécurité en biotechnologie
Sensibiliser l’opinion sur les enjeux des OGM microbiens
Réfléchir sur les avantages et les risques liés à l ’utilisation des OGM
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2-TRANSGÉNÈSE MICROBIENNE
L’ADN de l’organisme cible est extrait, puis découpé avec des enzymes de restriction, on
obtient des fragments contenant le gène d’intérêt. Ce gène est inséré dans un vecteur tel qu’un
plasmide. Ce plasmide est introduit dans une bactérie. Mais les plasmides étant instables, il est
parfois nécessaire d’intégrer ce gène plutôt dans le chromosome avec un vecteur viral
(phage). Lorsqu ’on utilise un phage on parle de transduction spécialisée. Le but peut être de
multiplier les copies de ce gène, ou alors de synthétiser un produit : une protéine par exemple.
On peut aussi programmer un microorganime pour tuer !
3-BIOTECHNOLOGIES
Diverses étapes sont nécessaires pour obtenir un produit:
–Mise au point et sélection: le milieu de culture, le microbe et le bio-réacteur
–Optimisation de la production (croissance des cellulles en fermenteur)
–« Downstream processes »: purification, conditionnement...
Les domaines des biotechnologies:
zDes
enjeux economiques enormes
zDes
enjeux politiques importants qui pourraient corrompre !
zIl
existe toujours des alternatives durables dans les biotechnologies !
4-OGM MICROBIENS
Les produits transgéniques, l’agro-alimentaire, santé-pharmaceutique, agriculture et élevage,
environnement et énergétique. Et les armes biologiques...
Les produits transgéniques
Le colibacille, Escherichia coli, bacterie martyr et venere ; c’est le microbe le plus utilisee en
biotechnologie il donne en culture des milliards de cellules par ml de culture apres quelques
heuresse sont de minuscules usines de production.
Santé-produits pharmaceutiques
1- Production de protéines thérapeutiques (insuline) dans la bactérie, E.coli
2- Transduction (transfert d ’ADN entre bacteries) par l’intermediare d’un virus (phage).
Pour obtenir les protéines transgéniques thérapeutiques : quel système choisir ? Les bactéries :
E. coli pour l’insuline humaine, Bacillus pour les hydrolases, levure : Saccharomyces pour
l’insuline, le vaccin de l’hépatite B, les champignons microscopiques, Aspergillus pour la
Chymosine. Cellules de mammifères (ovaires de hamster chinois CHO) pour les vaccins.
Agro-alimentaire
Microorganismes transgéniques en fermentation.
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La levure de bière, Saccharomyces cerevisiae pour la bière et le vin, les bactéries lactiques
Lactobacillus et les moisissures alimentaires Penicillium camembertii pour le yaourt et le
fromage. Pour les yaourts non pasteurisés, la choucroute , le saucisson, les microorganismes
sont vivants dans produit, alors qu’ils sont morts chez le pain et les produits pasteurisés ou
encore éliminés par filtration chez la bière ou le vinaigre. Bactéries, levures, moisissures ou
micro-algues sont des microorganismes ajoutés volontairement aux aliments. C’est sur eux
que le biologiste moléculaire va agir à la demande de l’industriel pour répondre aux exigences
des consommateurs.
Apport du génie génétique en fermentation
La transgénèse modifie un ou plusieurs gènes dans une souche industrielle déjà performante
sans lui faire perdre les caractères qu’elle possède déjà. Cela, en insérant le gène d’intérêt
dans le chromosome et non le plasmide. Mais ici s’oppose la notion de “ naturel à celle
d’artificiel ” par exemple pour les laits fermentés contenant Lactobacillus + Bifidobactérium.
Malgré les effets positifs indéniables au niveau de la flore intestinale, effets antimicrobiens
contre Salmonella typhimurium, Staphylococcus aureus et E.coli, anticholestérolémie et la
stimulation du système immunitaire, les consommateurs ont boudé ce probiotique.
Les microorganismes cibles sont : pour les produits laitiers Lactobacillus
Pour les boissons fermentées Saccharomyces, pour les assaisonnements alimentaires
Aspergillus.
Une biere plus legere
La levure de bière ne possède pas le gène capable de dégrader les dextrines (sous produit de
l’hydrolyse partielle de l’amidon), qui augmente les calories de la bière. Une enzyme, la
glucoamylose fongique est utilisée par les brasseurs pour cela. Objectif : mettre au point une
levure industrielle transformée avec le gène du champignon filamenteux Aspergillus. Depuis
1987, la levure de bière transgénique a été mise au point.
Mais, les versions industrielles de ces levures et lactobacilles transgéniques n’étaient pas
encore réalisées en 1989. Aliments et médicaments sont deux choses distinctes. Le
consommateur est seul à décider pour l’achat d’un aliment, alors que le médecin prescrit le
médicament !
Agriculture
Lutte biologique contre le borer, insecte ravageur du maïs
Bacillus thuringiensis est une bactérie capable de produire une protéine insecticide toxique
contre de nombreux insectes ravageurs des cultures. Le gène de cette toxine, Bt est isolé, puis
utilisé pour transformer une autre bactérie du sol et de la rhizosphère du maïs très compétitive
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Pseudomonas fluorescens. Cette technologie peut contribuer à limiter l’usage d’insecticides
chimiques qui sont souvent peu spécifiques et tuent indifféremment les insectes nuisibles et
les bénéfiques (pollinisateurs).
Agrobacterium tumfaciens et trasgénèse
Bactérie du sol possède la capacité à transformer certaines cellules végétales à l’aide de son
plasmide Ti. Elle est exploitée pour le génie génétique végétal.
La symbiose fixatrice rhizobia-légumineuse: de l ’azote de l’air N2 aux aliments riches
(graines, viande et lait) : travaux du Centre de Biotechnologies de Nkolbisson (Universite
de Yaounde I)
Bradyrhizobium et Rhizobium sont des bactéries du sol capables de fixer de l’azote
atmosphérique et fournir entre 50 et plus de 300 kg d’azote par hectare par an aux cultures. Ils
peuvent également servir pour l’amélioration de la productivité agricole, la fertilité des sols et
la production fourragère. Mais l’un des plus grand défi pour les biologistes moléculaires doit
préalablement être relevé : cloner au moins 17 gènes et les transférer à une plante non
légumineuse. Ce qui permettra aux céréales par exemple de produire des aliments sans avoir
besoin d’engrais azoté.
5-INNOVATIONS ET RISQUES
Les innovations technologiques sont indispensables au progrès et au développement humain,
mais ils comportent des risques. Les 5 niveaux de risques biotechnologiques sont:
–Le risque de niveau 0: absence de risque (Lactobacille)
–Le risque mineur de niveau 1: (E. coli)
–Le risque important de niveau 2: (SIDA)
–au risque majeur de niveau 3: (ex. Ebola)
–Le risque environnemental de niveau E
6-CONCLUSION
« Il n y a pas de progrès sans innovations et pas d ’innovations sans risques »
Les benefices des OGM outrepassent-ils les dangers potentiels ?
Les produits issus des OGM microbiens ont des avantages certains dans divers domaines des
biotechnologies (agriculture, industrie, santé et environnement). Pour la santé humaine, des
inquiétudes demeurent. Exemple de la thérapie génique utilisant des virus pour introduire des
gènes: risques de cancers. Mais, le plus important c’est la simplification des problemes par les
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industriels: exemple ‘un gene transgenique contre un ravageur ’ pour la protection des
cultures, ce qui est souvent incorrect. L’amelioration des rendements, la resistance aux
maladies et ravageurs, la tolerance a la secheresse ou aux sols acides implique plusieurs
genes. Exemple de la fixation biologique de l’azote qui necessite au moins 17 genes. Pour
l’agriculture et l’environnement, les risques de perte de la biodiversite locale, de
développement de résistances aux herbicides, aux pesticides dus au transfert de nouveaux
gènes sont potentiellement importants.
Comment limiter ces risques beaucoup plus important pour les microorganismes ?
...par des mesures de precautions, d’évaluation, de contrôle et de gestion adéquate ?
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LEXIQUE
Agrobacterium tumefaciens : bactérie du sol responsable de la galle du collet (tumeur
végétale). Les gènes responsable de la maladie sont portés par le plasmide Ti et sont
transférés de la bactérie vers la cellule végétale.
Bacillus thuringiensis : bactérie qui produit une protéine insecticide. Cette bactérie est utilisé
en agriculture biologique comme bioinsecticide.
Bactérie : microorganisme
Bactériophage : virus mangeur de bacteries (phage)
Baculovirus : virus capable de tuer les insectes.
Escherichia coli : bacterie du colon
Fixation d’azote : transformation de l’azote atmosphérique en composés assimilable par les
plantes sous l’action des microorganismes
Information génétique : ensemble des caractères héréditaires transmis par le code génétique.
Légumineuses : famille des plantes caractérisée par la capacité à former dans leurs racines
des nodules, lieu de la symbiose avec les bactéries du sol (rhizobia) qui fixent l’azote
atmosphérique.
Nodule : excroissance, renflement induit par des bactéries du sol chez les plantes.
Pathogène : se dit d’un agent capable de provoquer une maladie
Procaryote : se dit d’un organisme simple dont le noyau cellulaire est dépourvu d’enveloppe
nucléaire.
Reproduction : processus naturel par lequel les organismes vivants produisent des êtres
identiques à eux même. On distingue la reproduction sexuée et la reproduction asexuée.
Rhizobia : ensemble des bactéries fixatrices d’azote, présentes dans le sol, à l’état libre ou
alors en symbiose avec la plupart des espèces de la famille des Légumineuses.
Saccharomyces cerevisiae : champignon microscopique unicellullaire (levure de biere)
Traduction : terme désignant la deuxième phase de la synthèse protéique (ARNm-Protéine).
Transcription : terme désignant la première phase de la synthèse des protéines (ADNARNm)
Transduction : processus de transfert de gène d’un microorganisme à un autre, par
l’intermédiaire d’un virus (bactériophage).
Transformation : mécanisme de transfert de matériel génétique chez une cellule.
Transgénèse : ensemble des opérations qui consistent à obtenir un apport d’ADN étranger.
Virus : microorganisme de tres petite taille, parasite intracellullaire obligatoire.
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