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la solution du clonage apparaît aujourd'hui comme la plus évidente : on clone des gènes correspondant à la production de protéines dans le cerveau ou des gènes codant pour les protéines du muscle. Il n'est plus de biologiste moléculaire ou de généticien souhaitant comprendre la structure intime des gènes et de leurs relations avec le fonctionnement cellulaire qui ne soit appelé à utiliser les techniques de recombinations génétiques in vitro. Comment se situent les chercheurs et les industriels français dans le contexte international ? Deux pays ont pris une avance importante. En ce qui concerne la programmation moléculaire, l'Amérique a
importante. En ce qui concerne la programmation moléculaire, l'Amérique a sans aucun doute pris la tête des recherches et développements utilisant les techniques de recombinations génétiques. Le stade industriel est atteint puisque des sociétés de biotechnologie, on l'a vu, ont été créées et ont obtenu des résultats. En ce qui concerne la bio-industrie lourde, le Japon, en raison de son expérience des fermentations en grande capacité de production, a pris une avance considérable. Depuis longtemps, s'est développée au Japon une bio-industrie des fermentations dont les produits sont utilisés pour l'alimentation ou la production d'antibiotiques. Les Japonais peuvent acheter les souches
ou la production d'antibiotiques. Les Japonais peuvent acheter les souches bactériennes recombinées et disposent des conditions de production en masse. La France occupe une place honorable entre les deux géants de la bio-industrie. D'une part, parce qu'elle a contribué à développer des techniques de base de recombinations génétiques (vecteurs de production, vecteurs hybrides permettant le marquage des produits ou l'excrétion des protéines fabriquées à travers la membrane bactérienne). D'autre part, parce que la France dispose de quelques excellentes équipes de recherche en biologie fondamentale et en génétique. Nous manquons malheureusement de bio-ingénieurs, c'est-à-dire d'ingénieurs capables d'utiliser, « en aval »
de bio-ingénieurs, c'est-à-dire d'ingénieurs capables d'utiliser, « en aval » des laboratoires de recherche, les souches de microorganismes recombinés, afin de réaliser des fermentations à l'échelle pilote, des cultures cellulaires ou des fermentations sur des bioréacteurs de grande capacité et d'extraire et purifier les produits des bio-synthèses. Il faudra probablement plusieurs années pour former les bio-ingénieurs indispensables à notre pays. Les mesures prises à cet égard par le Gouvernement dans le cadre du développement général des biotechnologies sont dignes d'intérêt, car elles permettront de doter la France de techniciens, d'ingénieurs et de chercheurs spécialement formés aux biotechniques et à leurs
et de chercheurs spécialement formés aux biotechniques et à leurs applications industrielles. Les découvertes de la physique ont profondément marqué le XXe siècle : électricité, électronique, informatique, transports, énergie. Notre civilisation s'est construite grâce aux progrès de la physique. Il ne fait aucun doute que les progrès de la biologie vont ouvrir pour le XXIe siècle un développement comparable. Le pouvoir dont disposent les biologistes leur permettant de modifier à volonté le patrimoine génétique des organismes vivants pour les transformer en « usines moléculaires » va certainement bouleverser la chimie, la pharmacie, le secteur agro-alimentaire, le secteur de l'environnement, la
la pharmacie, le secteur agro-alimentaire, le secteur de l'environnement, la production énergétique. Certes, il ne s'agira pas, dans un premier temps, de créer des produits nouveaux. Il s'agira plutôt de remplacer des produits existants par des produits obtenus dans des conditions plus économiques. Mais progressivement, de nouveaux produits émergeront. Des substances jusqu'ici inconnues ouvriront de nouveaux marchés et bouleverseront probablement les conditions de vie. Avec l'avènement du génie génétique et ses applications, s'ouvre une phase nouvelle de l'histoire de l'humanité : l'entrée dans l'ère biologique. Les perspectives du génie enzymatique par Daniel THOMAS laboratoire de technologie enzymatique, université de technologie
par Daniel THOMAS laboratoire de technologie enzymatique, université de technologie de Compiègne (UTC) Les applications potentielles nombreuses des enzymes se trouvaient considérablement limitées dans la pratique par leur coût élevé et leur relative instabilité. Leur immobilisation sur des supports insolubles, qui permet une nette stabilisation de l'activité catalytique et une utilisation de réacteurs en flux continu, apporte une solution à ces problèmes. Les procédés enzymatiques, de première et deuxième génération, peuvent être compétitifs ou complémentaires avec les processus chimiques classiques, voire avec la fermentation industrielle, notamment dans les domaines alimentaires et pharmaceutiques. Les enzymes sont des macromolécules biologiques possédant une
et pharmaceutiques. Les enzymes sont des macromolécules biologiques possédant une activité catalytique dont la spécificité peut être parfois large (hydrolyse de molécules) mais le plus souvent très étroite. Les enzymes peuvent catalyser la transformation non seulement d'une espèce chimique définie mais aussi d'un seul isomère optique. La quasi-totalité des réactions chimiques dans les organismes vivants sont catalysées par des enzymes. La spécificité des molécules enzymatiques et leur aptitude à catalyser à température et pression ambiantes des réactions qui demanderaient des investissements énergétiques importants pour se dérouler spontanément expliquent le développement récent de recherches visant à des applications analytiques et industrielles.
récent de recherches visant à des applications analytiques et industrielles. Les applications potentielles nombreuses des enzymes se trouvaient considérablement limitées dans la pratique par leur coût élevé et leur relative instabilité. Leur immobilisation par voie chimique sur des supports insolubles, qui permet une nette stabilisation de l'activité catalytique et une utilisation de réacteurs en flux continu apporte une solution à ces problèmes. Les différentes méthodes d'immobilisation ont déjà été très largement décrites. Les procédés enzymatiques peuvent être compétitifs ou complémentaires avec les processus chimiques classiques, voire avec la fermentation industrielle, notamment dans les domaines alimentaires et pharmaceutiques. QUELQUES EXEMPLES D'UTILISATION
notamment dans les domaines alimentaires et pharmaceutiques. QUELQUES EXEMPLES D'UTILISATION DES ENZYMES IMMOBILISEES DANS L'INDUSTRIE Quelques exemples permettent de situer l'importance actuelle de la technologie enzymatique. La transformation de l'amidon en glucose est l'une des principales applications industrielles des enzymes libres. Le glucose obtenu peut ensuite être transformé en fructose pour augmenter le pouvoir sucrant. La production de sirop de fructose à l'aide de glucose-isomérase immobilisée est de cinq millions de tonnes par an aux Etats-Unis. La grande spécificité de la catalyse enzymatique permet la séparation des racémiques, cette méthode est utilisée pour la production de L-amino acides. Les enzymes
est utilisée pour la production de L-amino acides. Les enzymes sont utilisées également pour la clarification du vin, de la bière, des jus de fruits. Une enzyme, la lactase, est utilisée pour hydrolyser le lactose en galactose et glucose dans le lait. On obtient ainsi un lait diététique que peuvent consommer des personnes (de race noire en particulier), qui ne possèdent pas cette enzyme dans leur organisme, et donc ne supportent pas le lait naturel. Les principales applications industrielles actuelles des enzymes sont résumées dans le tableau I. MOTS CLES : APPLICATION, TECHNOLOGIE, ENZYME, INVENTAIRE. TABLEAU 1 Principales applications actuelles
: APPLICATION, TECHNOLOGIE, ENZYME, INVENTAIRE. TABLEAU 1 Principales applications actuelles des enzymes dans l'industrie Enzyme Matière première Utilisation α-amylase Amidon Production de glucose Protéase Protéines de lait ou de soja Production de peptides ou d'acides aminés Papaine Bière Clarification Pressuré Lait Production de fromage Pectinase Fruit Production de jus de fruit Cellulase Cellulose Production de glucose Lipase Lipides Hydrolyse des lipides Invertase Saccharose Inversion du sucre Lactase Lactose Décomposition du lactose dans le lait Glucose-Isomérase Glucose Production de sirop de fructose Amino-Acylase D-L-amino acides Production de L-amino acide SITUATION DANS LE MONDE À la fois pour le nombre des brevets
LE MONDE À la fois pour le nombre des brevets et pour la situation actuelle des applications industrielles, le Japon est le pays le plus important dans le domaine. La première application des enzymes immobilisées dans un procédé industriel continu a été réalisée au Japon en 1969 par la société Tanabe Seiyaku pour la résolution de racémiques d'acides aminés. Plusieurs autres procédés impliquant des enzymes ou cellules immobilisées sont utilisés industriellement au Japon. Les Etats-Unis sont au deuxième rang pour les applications de la technologie enzymatique et un important effort de recherche a été fait au cours des cinq dernières
de recherche a été fait au cours des cinq dernières années par la NSF (National Science Foundation). Les résultats obtenus dans le cadre de cet important programme permettent de prévoir un net accroissement de la technologie enzymatique dans le futur proche. Le niveau actuel de l'utilisation industrielle des enzymes aux États-Unis n'est pas négligeable et la valeur ajoutée par les procédés enzymatiques est donnée dans le tableau II. L'utilisation de la technologie enzymatique au niveau industriel est assez limitée dans les pays européens surtout si elle est comparée à la situation au Japon. Il y a toutefois des sociétés qui
situation au Japon. Il y a toutefois des sociétés qui sont très actives dans la production d'enzymes à usage industriel : Novo au Danemark, Gist Brocades en Hollande, la société Rapidase en France. En Allemagne, la société Bayer utilise de la pénicilline acylase immobilisée pour transformer cent tonnes de pénicilline G par an. Dans ce domaine des enzymes stabilisées, les groupes universitaires européens ont joué un rôle significatif. Les groupes de Berlin (Pr. Manecke), de Londres (Pr. Lilly), de Toulouse (Pr. Durand) et de Compiègne ont participé très tôt aux recherches dans ce domaine. Les sociétés Novo au Danemark et
recherches dans ce domaine. Les sociétés Novo au Danemark et Snam Progetti en Italie furent des pionnières et il est également important de noter l'intérêt croissant des grandes sociétés européennes de l'industrie chimique pour la technologie enzymatique. Rhône-Poulenc, ICI, Solvay, l'ENI ont initié des programmes de recherche et de développement dans cette direction. TABLEAU II Valeur ajoutée par les procédés enzymatiques aux États-Unis (1975) Produit Production en Valeur ajoutée Total de la valeur ajoutée millions de livres par livre en cents en millions de dollars Fromage 2 700 10 270 Sirop de fructose 1 090 2 22 Amidon 400 1
Sirop de fructose 1 090 2 22 Amidon 400 1 4 Industrie du papier 500 5 25 Glucose 655 2 13 Traitement de la farine 555 5 28 362 Applications en médecine 100 462 3. APPLICATIONS POTENTIELLES DES ENZYMES IMMOBILISÉES ET STABILISÉES DANS L'INDUSTRIE [3] Les résultats actuels de la recherche montrent que les potentialités de la technologie enzymatique pour l'industrie sont très importantes et pourraient conduire à la promotion d'un type nouveau d'industrie chimique travaillant avec des conditions modérées de pH, de température et de pression pour produire à partir des déchets ou de sous-produits des produits de chimie
partir des déchets ou de sous-produits des produits de chimie fine. Les procédés biochimiques utilisés ne produiraient pas de déchets risquant de polluer les eaux ou l'atmosphère et de perturber l'environnement. Il est possible d'illustrer les applications potentielles des enzymes stabilisées par quelques exemples : 1° Une des plus importantes potentialités des systèmes à enzymes immobilisées concerne la synthèse ou la modification de molécules à haute valeur ajoutée comme les antibiotiques, les vitamines, les stéroïdes et de nombreuses autres molécules organiques. Une équipe du MIT a pu réaliser la synthèse d'un décapeptide cyclique antibiotique, la gramicidine S (GS). Toutefois, ce
d'un décapeptide cyclique antibiotique, la gramicidine S (GS). Toutefois, ce procédé nécessite l'apport d'énergie chimique sous la forme d'ATP (Adénosine Triphosphate) qui est la « monnaie énergétique » des systèmes biologiques. La régénération de cette molécule cruciale pose encore des problèmes, mais plusieurs solutions sont étudiées actuellement. L'équipe du MIT tente de régénérer cette molécule d'ATP par méthode chimiore, à partir de l'acétyl phosphate, l'équipe de l'UTC a montré qu'il était possible d'envisager l'utilisation de chromatophores de bactéries photosynthétiques. La synthèse de la gramicidine S est un exemple qui a une portée générale et la solution du problème de la
une portée générale et la solution du problème de la régénération des molécules du type de l'ATP, c'est-à-dire des molécules qui sont des cofacteurs de la réaction enzymatique, permettrait d'ouvrir une nouvelle voie pour la technologie enzymatique. 2° La stabilisation par immobilisation des enzymes permet également d'utiliser leur pouvoir catalyseur dans des solvants non aqueux. Cette nouvelle propriété offre des possibilités pour l'utilisation des biocatalyseurs en chimie organique, en particulier pour la chimie des stéroïdes. 3° Les enzymes stabilisées peuvent permettre la synthèse ou la modification des arômes et des parfums. Les enzymes peuvent également jouer un rôle dans l'industrie
parfums. Les enzymes peuvent également jouer un rôle dans l'industrie des cosmétiques [4]. 4° Le traitement des résidus de pesticides et de polluant peut être réalisé dans l'eau et dans l'industrie alimentaire par des réacteurs enzymatiques. 5° L'utilisation industrielle de la nitrogénase pourrait être envisagée pour la fixation de l'azote. Cette enzyme permet de produire de l'ammoniaque à température et pression ambiantes. 6° L'utilisation de photosystèmes végétaux permet d'ouvrir une nouvelle voie pour la conversion de l'énergie solaire. L'hydrogène peut être produit en associant les photosystèmes et une hydrogénase bactérienne. 4. APPLICATIONS ANALYTIQUES DES ENZYMES IMMOBILISÉES [5] Le dosage de
4. APPLICATIONS ANALYTIQUES DES ENZYMES IMMOBILISÉES [5] Le dosage de substances d'intérêt biologique dans le sang et les fluides industriels faisait appel depuis longtemps aux enzymes libres. On dose par exemple le glucose grâce à la glucose-oxydase, qui le transforme en acide gluconique et eau oxygénée. Cette dernière oxyde un colorant qui se prête à une détermination colorimétrique. Industriellement, par exemple, l'acide glutamique est dosé à l'aide de la glutamate décarboxylase par la mise en évidence de la production de CO2. Cependant, l'application la plus séduisante est sans doute celle des électrodes à enzymes. Ces capteurs dosent en continu le
des électrodes à enzymes. Ces capteurs dosent en continu le glucose, le lactose, l'urée, certains acides aminés, etc. Il est facile de mesurer l'importance que vont prendre ces électrodes dans les industries alimentaires et pharmaceutiques et en médecine. L'électrode à enzyme est constituée d'une électrode classique (verre, spécifique à cation, ampérométrique) recouverte d'un film porteur d'enzymes immobilisées. Les enzymes transforment la substance à doser en un produit auquel l'électrode est sensible. Le groupe de Compiègne a mis au point avec la société ISA un appareil de dosage de glucose basé sur ce principe qui effectue 60 analyses à l'heure sans
sur ce principe qui effectue 60 analyses à l'heure sans préparation d'échantillon, avec du sang total par exemple, sur un volume de 40 microlitres. Dans un prochain avenir, il sera possible d'élargir la méthode à de nombreux autres paramètres. Ces électrodes sont particulièrement adaptées pour l'acquisition de données et peuvent être utilisées pour le contrôle de procédés en temps réel. Ce contrôle peut être appliqué aux fermentations industrielles (mesure du lactose par exemple) et à certains procédés de l'industrie chimique (mesure des acides aminés par exemple). Les électrodes à enzymes permettent également de détecter des traces de substances polluantes dans
permettent également de détecter des traces de substances polluantes dans l'atmosphère ou les eaux par l'intermédiaire de leurs propriétés inhibitrices. 5. NOTE SUR LES APPLICATIONS MÉDICALES [6] Les applications thérapeutiques des enzymes sont actuellement assez limitées par l'instabilité des enzymes natives et par leurs propriétés immunologiques. Citons toutefois les propriétés anti-inflammatoires de l'arylchymotrypsine ou l'utilisation des lipases, protéases, amylases pour faciliter la digestion. La stabilisation des enzymes et le masquage chimique de leurs sites antigéniques permettent d'envisager leur utilisation beaucoup plus large en particulier par injection par voie intra-veineuse. L'asparaginase pour le traitement de la leucémie pourrait bénéficier de ces
pour le traitement de la leucémie pourrait bénéficier de ces nouvelles techniques. Les enzymes immobilisées peuvent être aussi utiles dans les prothèses intra ou extra-corporelles. Dans cette dernière catégorie, les enzymes ont déjà été utilisées dans l'oxygénateur du sang à membrane et dans le rein artificiel. En conclusion, l'utilisation industrielle actuelle des enzymes se situe à un niveau non négligeable, mais elle a été limitée par le manque de stabilité et les difficultés technologiques de la mise en œuvre du catalyseur. La fixation par voie chimique sur des supports de ces catalyseurs biologiques permet la stabilisation et l'utilisation en continu
ces catalyseurs biologiques permet la stabilisation et l'utilisation en continu dans des réacteurs chimiques classiques. La stabilité de la catalyse passe de quelques heures pour l'enzyme native à quelques mois, voire plus d'une année, pour l'enzyme immobilisée. L'utilisation en continu a déjà été réalisée avec les différentes catégories de réacteurs : réacteur continuellement agité, réacteur à lit fixe et réacteur à lit fluidisé. Dans ce dernier cas, la fixation d'enzymes, sur des particules magnétiques par exemple, facilite considérablement la mise en œuvre du catalyseur. En ce qui concerne le type d'activités catalytiques utilisées, il est également possible de prévoir des
d'activités catalytiques utilisées, il est également possible de prévoir des modifications. Jusqu'à ces dernières années, les enzymes utilisées étaient relativement impures et peu chères et catalysaient des réactions de dégradation (hydrolyse) et plus rarement d'oxydation. La stabilisation et l'utilisation en continu modifient les données industrielles car elles permettent d'employer des enzymes ayant un coût élevé pour catalyser les réactions plus sophistiquées qui ont été précédemment décrites. Les progrès de la technologie enzymatique permettent non seulement d'employer les enzymes dans de meilleures conditions là où elles étaient déjà utilisées dans le passé, mais également de les utiliser dans des domaines complètement
passé, mais également de les utiliser dans des domaines complètement nouveaux comme celui de la chimie fine. BIBLIOGRAPHIE [1] K. MOSBACH (1967) — « Immobilized Enzymes », Methods in Enzymology, vol. 44, Academic Press — N.Y. [2] G. DURAND et P. MONSAN (1974) — « Les enzymes immobilisées », APRIA éd. Paris. [3] K. PYE and WINGARD L.B. (1973) — « Enzyme Engineering », Vol. 2, Plenum Press, N.Y. [4] D. THOMAS (1977) — « Enzyme technology », Rivista Italiano Essenze, Profumi, Piante Officinali, Aromi, Saponi, Cosmetici, Aerosol. [5] G.G. GUILBAULT (1977) — « Handbook of enzymatic methods of analysis
GUILBAULT (1977) — « Handbook of enzymatic methods of analysis », Dekker, N.Y. [6] T.M.S. CHANG (1977) — « Biomedical applications of immobilized enzymes and proteins », Plenum Press, N.Y. [7] M.H. REMY and M. POZNANSKY (1978) — Lancet, 8080, 68. [8] D. THOMAS and G. GELLF (1976) — « Immobilized enzyme technology », Plenum Press, N.Y. [9] G. GELLF and J. BOUDRANT (1974) — « Magnetic particles bearing immobilized enzymes », Biochem. Biophys. Acta, 334, 467. Production agricole et biotechnologie par Pierre DUPUY directeur de recherches à l'Institut national de la recherche agronomique (INRA) L'utilisation des ressources renouvelables au
de la recherche agronomique (INRA) L'utilisation des ressources renouvelables au profit de l'homme correspond à la notion de biotechnologie. Cela recouvre à la fois des activités traditionnelles et des activités nouvelles dont certaines ne sont encore effectuées qu'en laboratoire. Ces nouvelles possibilités apportent des solutions à des problèmes qui se posent dans des domaines aussi divers que la nutrition humaine, l'élevage, l'énergie et la protection de l'environnement. La mise en œuvre de la biotechnologie implique que l'on forme des ingénieurs connaissant à la fois les ressources de la biologie et des techniques industrielles. Le mot biotechnologie a pénétré dans le
des techniques industrielles. Le mot biotechnologie a pénétré dans le langage courant avant que ce qu'il est censé recouvrir ne soit parfaitement défini. Il est donc chargé d'espoir. Certains ont considéré que le terme décrivait la technologie mettant en œuvre des microorganismes qu'on avait pendant longtemps appelée fermentation. Le nouveau vocable reconnaissait les progrès spectaculaires réalisés par une activité tout à fait traditionnelle. Ce sens a été retenu pour définir le champ d'activité de la Société européenne de biotechnologie, fondée en 1978. Il est difficile de conserver une définition restrictive à un mot qui réunit des concepts aussi vastes que
à un mot qui réunit des concepts aussi vastes que vie et technique. A mon avis, le succès du mot biotechnologie tient à ce qu'on a récemment pris conscience d'un changement capital survenu dans la situation de l'homme sur la terre. Jusqu'ici le progrès technique était dû à la mobilisation de ressources non renouvelables de notre planète : charbon, pétrole, uranium, métaux. Ces ressources sont loin d'être épuisées, mais les perspectives de croissance de leur exploitation sont à présent limitées par suite de l'épuisement des gisements, de la pollution engendrée ou simplement par le renchérissement du coût d'exploitation. Dans ces
ou simplement par le renchérissement du coût d'exploitation. Dans ces conditions, la radiation solaire apparaît comme la seule énergie indéfiniment renouvelable. L'homme profite largement des effets physiques du soleil, chaleur, vent, cycle de l'eau. L'assimilation chlorophyllienne permet de réaliser à partir de cette énergie des synthèses chimiques indispensables à la vie de l'homme, aliment, ou susceptibles d'approvisionner une industrie lourde, lignocellulose du bois. Ces transformations mettent en jeu des êtres vivants : c'est-à-dire un ensemble de réactions chimiques, dépendant les unes des autres, très finement régulées et fournissant une très grande diversité de produits. Nous sommes encore loin de comprendre
grande diversité de produits. Nous sommes encore loin de comprendre entièrement les processus mis en jeu par les êtres vivants pour réaliser les biosynthèses. Cependant, les progrès des sciences fondamentales ont été si rapides ce dernier siècle que nous avons accumulé assez de connaissances pour expliquer un grand nombre de mécanismes propres aux êtres vivants. L'effort de la recherche scientifique a surtout consisté à trouver des explications aux faits observés en descendant du niveau des organismes à celui des organes, puis des cellules et maintenant des molécules. Le temps n'est-il pas venu de mettre ces connaissances dans les mains des