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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 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 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 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 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.
synthèse de la gramicidine S est un exemple qui a 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 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 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 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
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 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 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 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
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 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 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 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 modifications. Jusqu'à ces dernières années, les enzymes utilisées étaient relativement
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 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 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 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 », 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,
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 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 », 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 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 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
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 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 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 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
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 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 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 ingénieurs pour qu'ils les utilisent dans des réalisations. En créant ce nouveau mot de biotechnologie, la société lance un défi à ses scientifiques. Vous qui avez été capables d'expliquer le comment de la vie, aurez-vous assez d'imagination pour créer des systèmes de production à partir de ces êtres vivants qui possèdent des mécanismes tellement plus subtils que ceux actuellement utilisés dans nos usines ? Les programmes d'enseignement de biotechnologie mis en place dans les universités et les grandes écoles sont effectivement destinés à donner une double formation d'ingénieur et de
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 ingénieurs pour qu'ils les utilisent dans des réalisations. En créant ce nouveau mot de biotechnologie, la société lance un défi à ses scientifiques. Vous qui avez été capables d'expliquer le comment de la vie, aurez-vous assez d'imagination pour créer des systèmes de production à partir de ces êtres vivants qui possèdent des mécanismes tellement plus subtils que ceux actuellement utilisés dans nos usines ? Les programmes d'enseignement de biotechnologie mis en place dans les universités et les grandes écoles sont effectivement destinés à donner une double formation d'ingénieur et de biochimiste ou biologiste. Les étudiants ainsi formés sont susceptibles de travailler sur des projets industriels, des objectifs médicaux ou des données agronomiques. La biotechnologie est donc une volonté de concevoir globalement des enseignements qui existaient séparés et qui ne tenaient pas tellement compte de la convergence que représentent les réactions biologiques de base. Deux orientations s'offrent aux biotechnologistes : 1° Tirer un meilleur prix de la biomasse produite par la photosynthèse et les possibilités de synthèses des microorganismes ; 2° Améliorer le fonctionnement des organismes vivants par exemple en réunissant dans une même cellule des propriétés qui étaient dispersées dans plusieurs espèces, ou en modifiant le système de régulation. Ces démarches sont susceptibles d'avoir de profondes répercussions sur des activités très traditionnelles comme l'agriculture, l'exploitation de la forêt et de la mer, la synthèse chimique, la fourniture d'énergie, ... Quelques exemples permettront de mieux évaluer le potentiel de changement représenté par la biotechnologie. ÉLABORATION DE NOUVEAUX ALIMENTS C'est un domaine où les innovations sont rares et difficilement acceptées par les consommateurs. Cependant les nouveaux aliments sont utiles pour satisfaire des besoins diététiques apparus dans des populations qui ont très peu d'activité physique ou pour fournir des rations plus complètes aux
biologiques de base. Deux orientations s'offrent aux biotechnologistes : 1° Tirer un meilleur prix de la biomasse produite par la photosynthèse et les possibilités de synthèses des microorganismes ; 2° Améliorer le fonctionnement des organismes vivants par exemple en réunissant dans une même cellule des propriétés qui étaient dispersées dans plusieurs espèces, ou en modifiant le système de régulation. Ces démarches sont susceptibles d'avoir de profondes répercussions sur des activités très traditionnelles comme l'agriculture, l'exploitation de la forêt et de la mer, la synthèse chimique, la fourniture d'énergie, ... Quelques exemples permettront de mieux évaluer le potentiel de changement représenté par la biotechnologie. ÉLABORATION DE NOUVEAUX ALIMENTS C'est un domaine où les innovations sont rares et difficilement acceptées par les consommateurs. Cependant les nouveaux aliments sont utiles pour satisfaire des besoins diététiques apparus dans des populations qui ont très peu d'activité physique ou pour fournir des rations plus complètes aux populations sous-alimentées. La margarine, un aliment inventé par l'industrie Il est intéressant de se reporter à cet exemple vieux de 111 ans pour se convaincre que l'introduction d'un nouvel aliment demande de l'ingéniosité et de la ténacité. En 1869, Napoléon III avait perçu la nécessité d'introduire un aliment susceptible de remplacer le beurre qui avait deux graves inconvénients : son prix élevé limitait sa consommation pour les classes peu aisées ; son rancissement rapide empêchait de l'introduire dans les rations de la marine et de l'armée. Un concours ouvert sur ce sujet a permis de sélectionner un pharmacien, Mege-Mouries (1817-1880), ayant des connaissances en chimie et s'intéressant depuis longtemps à la nutrition humaine. Cet inventeur a une idée. Il a observé que les vaches laitières utilisent leurs réserves adipeuses pour synthétiser les matières grasses du lait. Il propose d'extraire la graisse du gras de bœuf et de la disperser dans du lait pour obtenir une émulsion proche du beurre. Un atelier expérimental de laiterie situé dans la ferme modèle de Vincennes va lui permettre de mettre au point cette préparation. La première usine, installée à Passy par l'inventeur, permet de réunir le matériel : presse à huile, baratte et plateaux