Biologie et Biotechnologie

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