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Exploiter le vivant : une révolution industrielle ?

Remplacer les méthodes classiques de fabrication, transformation ou dégradation chimiques, par les méthodes biologiques qu’emploient les bactéries : c'est l'objectif des biotechnologies "blanches". Premières applications : une robe de mariée issue de l'amidon du maïs, une bactérie dévoreuse de graisses hydrocarbures…

Robe de mariée en maïsRobe de mariée confectionnée à partir de l'amidon contenu dans les graines de maïs.
© 2007 Biotechnology Industry Organisation

Quiz : quelles sont les technologies de pointe exploitant le monde du vivant grâce au génie génétique ? La plupart répondront les biotechnologies "vertes", qui ont débouché sur la production de semences génétiquement modifiées. Les plus avertis évoqueront les biotechnologies dites "rouges", qui ont permis l’essor de nouveaux médicaments, vitamines et autres molécules actives (à lire sur la Banque des savoirs : Médecine : le futur s’invente aujourd’hui ). Mais bien peu feront référence aux biotechnologies "blanches", également appelées biotechnologies industrielles pour leur application à grande échelle dans le secteur de la chimie et de l’environnement.

Encore en gestation, les biotechnologies industrielles visent à créer des "usines vivantes" où les micro-organismes (bactéries, levures, moisissures) fabriqueraient, dégraderaient ou transformeraient toutes les substances nécessaires aux industriels. Les micro-organismes sont en effet de formidables machines à transformer les substances : grâce aux levures, le lait devient yaourt, l’orge devient bière, l’amidon se transforme en sucre puis en alcool… pour déclencher ces réactions, pas besoin d’énergie fossile ou de produits chimiques. Les micro-organismes sont autonomes et réalisent leur propre "chimie". Exploiter ces capacités à des fins industrielles, tel est le vœu des firmes aujourd’hui dans les starting-blocks (chapitre 1).

Directeur du Génoscope à Évry, Jean Weissenbach souligne cependant que "nos connaissances concernant les micro-organismes sont pour l’instant trop parcellaires pour pouvoir véritablement maîtriser les réactions chimiques qu’ils provoquent. De plus, la biodiversité des micro-organismes est gigantesque, il y a énormément d'espèces et un nombre considérable d'activités biocatalytiques (qui activent ou accélèrent une réaction biochimique) inconnues à découvrir." C’est pourquoi, avec son équipe, le généticien s’est lancé dans l’exploration des communautés bactériennes. Objectif : dresser un inventaire des séquences génétiques des bactéries et de leur fonction dans les processus de transformation. Ces connaissances permettront notamment aux industriels de manipuler les micro-organismes afin d’obtenir les génomes les plus intéressants pour leurs applications.En filigrane, se dessine le rêve bien actuel d’une industrie "propre", d’une "chimie verte" fabricant à grande échelle des biocarburants, des bio-textiles, des bio-plastiques, des bio-détergents,... (chapitre 2).

Toutefois, l’enthousiasme des industriels engagés dans cette voie est contrebalancé par certains principes de réalité : coût d’investissement non négligeable, acceptation sociétale incertaine, conflits d’usages,… Si "le rôle de l’infiniment petit est infiniment grand", selon la formule de Pasteur, il serait intéressant de réfléchir dès maintenant à ses applications dans les activités humaines, de peser le pour et le contre en amont (chapitre3).

01.Des "usines vivantes" à l'œuvre

Jouet en plastique d'amidonLa société Novamont fabrique de nombreux produits en "Mater-Bi", un plastique biodégradable issu de l'amidon : jouets, stylos, sacs….
© Novamont SpA
Sur le podium, un mannequin défile dans un drapé fluide et résistant
. "Bien que les propriétés de ce matériau soient similaires à celles d’un textile synthétique dérivé du pétrole, il s’agit ici d’un vêtement fabriqué à partir d’un végétal, le maïs", informe le présentateur de ce défilé de mode hors du commun. Il ne s’agit pas d’une fiction mais d’un événement qui s’est produit en avril 2006 à Chicago, lors de la deuxième conférence internationale sur les biotechnologies industrielles. Les fibres textiles de ce défilé sont issues de l’amidon de maïs transformé par des levures en un biopolymère comparable au polyester. Ce "bio-textile" est 100 % biodégradable. Aujourd’hui, beaucoup de plastiques peuvent ainsi être fabriqués à partir d’amidon. La gamme des biomatériaux s’enrichit constamment de nouveaux objets : gobelets et couverts, emballages divers, essuie-fesses pour bébé, etc. Ce sont quelques-unes des applications rendues possibles grâce à un nouveau mode de production : les biotechnologies industrielles.

Les biotechnologies industrielles consistent à remplacer les méthodes classiques de fabrication, transformation ou dégradation chimiques, par les méthodes biologiques qu’emploient les micro-organismes. La plupart des secteurs industriels utilisent des produits chimiques pour catalyser, c’est-à-dire accélérer les réactions qu’ils veulent obtenir. De leur côté, les micro-organismes fabriquent eux-mêmes les catalyseurs des réactions qui ont lieu dans leurs cellules. Deux solutions s’offrent aux industriels : remplacer in vitro les catalyseurs chimiques par des catalyseurs biologiques, qu’on appelle enzymes. Second volet, utiliser directement les micro-organismes possédant les enzymes d’intérêt (c'est-à-dire intéressantes dans telle ou telle perspective industrielle) Ces enzymes dépendent du génome des micro-organismes. Il suffit de le manipuler génétiquement pour rendre l’organisme qui le fabrique industriellement performant. Une évolution dirigée des gènes permet également de modifier les enzymes par mutation jusqu’à ce qu’apparaisse une variante profilée pour une application industrielle. Par exemple, Novozymes, l’un des leaders mondiaux des biotechnologies, vient de mettre au point un décapant à base "d’enzymes gloutons" (nom commun des enzymes capables d'absorber toutes sortes de pourritures), qui décomposent les salissures tout en réduisant de 60 % les rejets polluants dans l’eau et de 25 % la consommation d’énergie. Novozymes a ainsi réussi à créer un enzyme qui possède à la fois le caractère recherché et des qualités inédites. L’innovation ne s’arrête pas là… Les industriels cherchent maintenant à optimiser ces enzymes afin qu’ils restent actifs même à basse température. On pourrait alors rêver d’une lessive efficace à 15 °C ! Solvants, papeterie, revêtements de routes, dépollution de l’eau et des sols, sont également des secteurs concernés.


Tissu à base d'enzymes industrielsLa société danoise Novozymes met au point toutes sortes d'enzymes industriels, dont Celluloft, qui permet d'augmenter la douceur des tissus en coton, ainsi que la vivacité des couleurs.
© Novozymes

La plus grosse production de biomatériaux se trouve dans le Tenessee, où le chimiste Dupont exploite une usine capable de produire chaque année 50 000 tonnes de propanediol. Ce dérivé de l’amidon, obtenu grâce à une bactérie génétiquement modifiée, sert d’ingrédient de base à un bioplastique. En France, l’usage des biotechnologies industrielles à grande échelle n’est pas à l’ordre du jour. Les principaux protagonistes du domaine avancent plusieurs raisons. La première est qu'à la différence des Etats-Unis, qui subventionnent conséquemment les recherches sur ce sujet, nos laboratoires ne bénéficient pas d'un fort soutien de l'État. La seconde que les entreprises françaises attendraient de voir les résultats des recherches en cours avant de se lancer plus en avant. En revanche, on compte plusieurs PME qui ont investi des niches correspondant à des volumes de production de 1 000 à 5 000 tonnes par an : Vegeplast, producteur de biomatériaux, Méaban, producteur de solvants contenant des bactéries qui engloutissent les graisses et hydrocarbures des pièces métalliques,… D’autre part, trois pôles de compétitivité à vocation mondiale sont dédiés aux recherches dans ce secteur : ,Axelera Industries (en Rhône-Alpes), Industries et agro-ressources (en Picardie et Champagne-Ardenne ) et AgriMip innovation (à Toulouse). D’autres projets font un tabac tels que Biohub, plate-forme de recherche soutenue par l’Agence de l’innovation industrielle et impulsée par le quatrième fabricant mondial d’amidon, Roquette frères. Leur objectif est double : à la fois créer des produits chimiques totalement nouveaux à base de céréales et mettre au point des procédés biotechnologiques innovants. D’après un rapport du ministère de l’Industrie intitulé "Technologies clés pour 2010", le marché mondial des biotechnologies industrielles représentait 50 milliards de dollars en 2006 et pourrait atteindre 160 milliards en 2010. Les bioproduits occuperaient alors jusqu’à 20 % du marché de l’industrie chimique et 60 % de la chimie fine (pharmaceutique, cosmétique).

02.Atouts des procédés biologiques utilisés

Aujourd’hui, le principal intérêt mis en avant pour les procédés biologiques utilisés en biotechnologie est avant tout environnemental. D’abord, ils s’accomplissent dans des conditions compatibles avec la vie, alors que les procédés chimiques nécessitent souvent un environnement très agressif pour être actifs (température, pression, acidité). Par conséquent, les consommations d’énergie s’en trouvent réduites. De plus on réalise ces procédés dans l’eau plutôt que dans des solvants organiques, évitant ainsi l’usage de substances polluantes. Enfin, les biotechnologies favorisent l’emploi de matières premières renouvelables : les enzymes des micro-organismes utilisent comme substrat le carbone de la biomasse (maïs, blé, betterave, bois, déchets verts,…) et non des dérivés du pétrole.

À plus long terme, l’intérêt environnemental des biotechnologies se dMicro-organismes de stations d'épurationExemple de micro-organismes issus de boues de stations d'épuration, étudiés afin de mieux comprendre comment ils réalisent l'épuration des eaux usées domestiques. Ici des bactéries du genre Zoogloea constituent des flocs (agglomération de particules, de couleur brun clair). Et des protozoaires (grosses structures plus ou moins rondes) viennent s'y agréger, ces derniers se nourrissant sur les premières.
© Génoscope
ouble d’un intérêt économique. En 2003, l’institut indépendant Oko, situé à Fribourg, a réalisé pour le compte d’EuropaBio (consortium d’entreprises impliquées dans les biotechnologies) une étude comparant six produits. Issus de la biotechnologie industrielle, les produits montrent des intérêts équivalents voire supérieurs aux mêmes produits issus cette fois d’un mode de production classique. Ces résultats, cohérents avec l’augmentation du prix des matières fossiles, corroborent les projections faites par l’OCDE (Organisation de coopération et de développement économique) en 2001 dans un rapport soulignant l’intérêt des processus biologiques pour une industrie "durable".

Pour développer une industrie durable construite sur les biotechnologies, encore faut-il connaître parfaitement les micro-organismes et leurs enzymes. Au Génoscope (le centre national de séquençage), Jean Weissenbach a décidé de s’attaquer au sujet : "Aujourd’hui, à peine 1 % des micro-organismes présents sur notre planète ont été isolés, cultivés et étudiés." Profitant d’un programme sur l’exploration de la diversité microbienne des boues des stations d’épuration, le directeur du Génoscope a annoncé sa volonté d’étudier le maximum de micro-organismes et de dresser un inventaire de leurs séquences génétiques. On pourra ainsi identifier les gènes qui présentent un intérêt industriel. En 2007, l’équipe du Génoscope a analysé plus de deux millions de séquences issues d’échantillons de la station d’épuration d’Évry.

Outre l’inventaire génétique, l'amélioration du procédé d’épuration des eaux usées intéresse les industriels du traitement des eaux. "Ces milieux sont le siège d’intenses activités métaboliques dont le résultat est de convertir une grande partie des substances polluantes en composés minéraux et en biogaz", explique le chercheur. Un problème demeure : ce traitement génère de grandes quantités de boues dont on ne sait que faire. Les industriels tentent de réduire ces quantités de déchets en essayant d'utiliser de façon optimale les bactéries responsables de l’absorption et/ou de la dégradation des substances polluantes. C’est un autre aspect des biotechnologies industrielles. Des études sont en cours sur K.Sttutgartiensis, bactérie dont le récent séquençage a permis d’identifier un nouveau processus d’oxydation de l’ammoniaque (à lire sur la Banque des savoirs : Génoscope : haro sur les bactéries).

03.Freins et limites aux biotechnologies industrielles

Le secteur des biotechnologies qui s’est le plus rapidement développé est celui des agro-carburants. Au Brésil, la majorité des véhicules roulent avec ces carburants d’origine agricole. Ils sont obtenus grâce à des enzymes (amylases) qui décomposent l’amidon des cellules végétales en glucose. Une fermentation, conduite par des microbes, convertit ensuite le glucose en éthanol, l’agro-carburant. En Europe, la législation nous oblige à intégrer 5,75 % d’agro-carburant dans l’essence d’ici 2010. Mais la demande croissante en agro-ressources n’est pas sans poser problème. Elle a déclenché une flambée des prix des oléagineux (soja, colza, tournesol,…), des céréales, des féculents et en particulier, du maïs. L’institut américain de recherche sur les politiques alimentaires (IFPRI) estime que cette demande entraînera une hausse des cours mondiaux du maïs de 20 % d’ici 2010 et de 41 % à l’horizon 2020…

Les terres arables ne pouvant pas se multiplier comme des petits pains, comment concilier l’usage des terres à des fins alimentaires et leur usage à des fins énergétiques ? Sans compter qu’il faut également préserver des terres non cultivées pour le maintien de la biodiversité (forêts, prairies, etc.). Actuellement, le développement des agro-carburants à grande échelle se trouve dans l’impasse. À moins que les agro-carburants de "seconde génération", utilisant à la place des graines et fruits alimentaires toutes sortes de matières végétales - tiges et feuilles de maïs, paille de blé, déchets forestiers - sortent des laboratoires de recherches. Situation qui n’est pas à l’ordre du jour. Résultat : les agro-carburants qui étaient la panacée il y a à peine trois ans sont maintenant très controversés. On va même jusqu’à s’interroger sur leur véritable éco-bilan… Les autres secteurs des biotechnologies industrielles ne vont-ils pas connaître le même sort ? Les conflits d’usage qui freinent aujourd’hui la production des agro-carburants ne vont-ils pas limiter, demain, celle des agro-matériaux ? "Pas forcément, estime Jean Weissenbach, car les agro-matériaux représentent des tonnages plus modestes que les agro-carburants. En outre, les agro-matériaux ont l'énorme avantage de stocker du carbone qui provient pour l'essentiel du CO2 atmosphérique."

Champ de tournesolsLes terres cultivables ne pouvant se multiplier, il faudra concilier la production des oléagineux (tournesol, soja, colza…) à des fins alimentaires et celle à des fins énergétiques (agro carburant).
© MADZAK Catherine / INRA

Le rapport du ministère de l’Industrie, "Technologies clés pour 2010", pointe également l’acceptation sociétale de ces biotechnologies comme l’un des obstacles potentiels à leur développement. Outre les problèmes éthiques que pose la manipulation du vivant, on peut notamment s’interroger sur les possibilités de piratage biologique que soulèvent de telles technologies. Ainsi, dans les années 90, la société de biotechnologie américaine Genecor aurait prélevé dans les lacs salins de la vallée du Rift (Kenya), des "extrémophiles" à partir desquelles ses chercheurs auraient mis au point des enzymes capables de raviver les couleurs des textiles. Ces enzymes auraient été revendus, entre autres, au géant Procter et Gamble, ce sans contrepartie pour les États et populations locales. L’agence kenyane de protection de la faune et de la flore vient de décider de poursuivre Genecor en justice. On ne sait pas encore si celle-ci acceptera de juger l'affaire : peut-on considérer que les micro-organismes ont un propriétaire, de même que l'on considère désormais que les plantes spécifiques d'un pays ne peuvent être exploitées (par une industrie pharmaceutique par exemple), sans qu'il soit reversé des royalties à ce pays ? Peut-on les utiliser à des fins commerciales et privées quelle que soit leur origine ? Ces questions restent en suspens.

Que penser aussi des conséquences d’une dissémination des micro-organismes génétiquement modifiés ? Cheval de bataille de l’association Greenpeace, les problèmes posés actuellement par les semences OGM pourraient se transposer aux micro-organismes génétiquement modifiés. "Si on dépollue les sites industriels avec des OGM in situ, le risque de dissémination de ces OGM est le même que celui qui existe avec les plantes génétiquement modifiées cultivées en plein champ", s’inquiète Arnaud Apoteker, porte-parole de la campagne anti-OGM de Greenpeace. Mais pour Denis Bortzmeyer qui participe à SusChem (Sustainable Chemistry), la plateforme européenne des technologies pour une chimie durable, "la réglementation concernant les micro-organismes génétiquement modifiés existe déjà, il suffira de l’adapter et de l’appliquer." Il reconnaît par ailleurs que "de manière générale, il y a très peu de réflexions collectives sur les conséquences annexes et les usages des biotechnologies industrielles."

Également directeur des partenariats chez Arkema, acteur majeur de la chimie mondiale, Denis Bortzmeyer s’attache plutôt à l’aspect technico-économique : "Les biotechnologies "rouges" se sont bien développées parce qu’elles apportaient un véritable avantage technique : là où généralement il fallait quinze étapes voire plus pour synthétiser un médicament, les biotechnologies ont permis d’effectuer la réaction en une seule étape ! Gain de temps et d’investissement étaient évidents. En chimie industrielle, nous effectuons deux ou trois étapes maximum pour synthétiser nos produits, donc la partie est plus difficile à gagner pour les biotechnologies. De plus, nous avons besoin de réactions rapides car nous fabriquons de très grosses quantités (250 à 300 000 tonnes/an), or les micro-organismes ne sont pas toujours efficaces sur ce point. Néanmoins, chez Arkema, nous continuons d’investir dans les recherches en biotechnologies car tout va très vite et ce qui aujourd’hui n’est vraiment pas gagné pourrait l’être demain."

Affaire à suivre, donc…

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