Aliment – R&D ñ

Production

Transformation

   Distribution

Commercialisation

 Consommation

 Sécurité


Autour de l'aliment, "Informer et s'informer": la biotechnologie - Article 1 

Article aliment-et-developpement.com  - Novembre 2017

Concernant la recherche et développement  autour de l'aliment, " Informer et s'informer" était réservé à quelques initiés  qui avaient accès aux médias spécialisés.  Les médias généraux, depuis peu, s'y intéressent  et font découvrir à la plus part d'entre nous  cette masse de connaissance et interpellent sur l'édition.     Autour de l'aliment, le regard des populations peut surprendre... Leur offrir les moyens de proximité d"'informer et s'informer", les laboratoires de l'aliment et les médias accessibles à tous, est un avantage socio-économique et culturel.

"Informer et s'informer": la biotechnologie

S'agissant des technologies, le XXè siècle fut celui de l’électronique, de l’énergie nucléaire et de l’informatique. Cela, aussi bien dans leur développement que dans leurs applications et utilisations. Ces technologies ont suscité, suscitent toujours, autant d’espoirs  que de crainte et à juste titre.

Ces technologies ont largement influencé la biotechnologie dont on parle tant depuis les vingt dernières années du XXè siècle,

En ces vingts premières années du XXIè, la biotechnologie fait l'actualité autour de l'aliment, de la production à la consommation.

La biotechnologie regroupe un certain nombre de disciplines issues de la biologie : le génie génétique, le génie microbiologique, le génie enzymatique et la physiologie et la biologie végétales .

La figure  1 résume les technologies appropriées que chacune de ces disciplines utilise pour les diverses réalisations biotechnologique (Figure 1).

Figure 1 - Les disciplines de la biotechnologie

La biotechnologie

La biotechnologie (la biotech introduit l'article '"Informer et s'informer" autour de l'aliment. Elle est à la fois question et réponse des préoccupations liées à l'aliment en quantité et en qualité suffisante pour nourrir le Monde. Aussi, la question "qu'est-ce que la biotechnologie et ses produits »  est posée à travers un exposé sur le développement de la biotechnologie. La réponse y est apportée également : la biotechnologie et ses produits, dont les OGM,  est la conséquence attendue du progrès fait dans toutes les disciplines scientifiques

La biotechnologie est technologie : elle étudie les techniques de transformation d'une substance organique en une ou plusieurs autres. La biotechnologie est science : l'étude technique est conduite avec méthode et rigueur.

La biotechnologie, le  fruit de   diverses technologies 

L'électronique, le nucléaire et l'informatique sont les principales technologies qui ont influencé le développement de la biotech.

L’énergie nucléaire résulte de la fission ou de la fusion du  noyau de l’atome.

C'est de la découverte du Britannique Joseph Thomson (il a fourni la preuve que dans des conditions spéciales les atomes émettent des particules plus petites qu'il nomma «électron») que naîtra l’électronique et l’informatique.

Aussi, ces trois technologies différentes par leurs applications ont une origine commune l’atome et ses constituants. Depuis lors, le développement des unes et des autres  ne s’est jamais arrêté. Seulement, à  certaines périodes de leur histoire, pour diverses raisons (les médias, les besoins du moment), l’une était plus à la pointe quoique les autres connussent un plein essor.

La grande découverte  qui a révolutionné l’électro- nique aussi bien que l’informatique est celle du processeur puis du microprocesseur et surtout de sa miniaturisation.

Grâce à cette  miniaturisation, les microprocesseurs sont omniprésents dans les domaines de l’informatique et des télécommunications, mais aussi dans l’électricité domestique (ordinateurs, chaînes hifi, magnétoscope,…)

Quant au nucléaire, outre sa contribution au progrès médical dans le domaine de l’analyse et des soins,  son énergie est relativement propre comparée à celle qui utilise le fuel ou le charbon.  Et par rapport aux centrales hydroélectriques, elle mobilise peu d’eau donc influe moins sur le niveau des aquifères.

L’énergie atomique tout comme l’électronique et l’informatique ont contribué à améliorer les conditions de vie de l’homme. Toutefois, on ne peut oublier les victimes de l’utilisation de ces technologies dans les divers conflits du XXè siècle et de ce début du XXIè siècle.  Le nucléaire ne sera plus jamais utilisé dans quelque conflit comme arme,  il est devenu un outil indispensable au développement. Cependant, il n’en demeure pas moins qu’il peut encore être dangereux pour l’homme et son environnement. La catastrophe de la centrale de Tchernobyl est présente dans toutes les mémoires et pour longtemps.

Ces trois technologies ne répondent pas à toute la demande et ne manquent pas d’insuffisances. Aussi elles vont contribuer à créer ou à développer d’autres technologies.

Ainsi, outils de la maîtrise du vivant (biosynthèse, dégradation et les réactions physico-chimiques associées)  elles vont contribuer  au développement de la biotechnologie (Figure 2).

Figure 2 - Apport de l'électronique, de l'informatique et du nucléaire à la biotechnologies 

En informatique comme en électronique la miniaturisation des circuits intégrés atteindra une limite dans une trentaine d’années. Les seules solutions pour augmenter les capacités des puces sont de remplacer les microprocesseurs ordinaires par des puces biologiques contenant des protéines, des enzymes, ou des neurones biologiques. Cette investigation fait appel à la biotechnologie

La contribution de l'énergie nucléaire et de la radioactivité repose sur l’utilisation des marqueurs isotopiques, celle des différents rayonnements comme  agents mutagènes. La contribution du nucléaire c’est aussi  sa part importante dans la production de l’électricité. C'est également la question du traitement des déchets du combustible radioactif. En effet, on connaît bien des bactéries de dépollution. Celles-ci peuvent capter les métaux lourds suite à une contamination nucléaire. Par la manipulation du gène il est possible d'augmenter la potentialité de ces bactéries.  

Ainsi la biotechnologie  intègre les progrès de plusieurs disciplines dont l’électronique le nucléaire et l’informatique. Par la réactivité chimique de l’élément liée aux constituants de l’atome dont les électrons, la biotechnologie a le même fondement physique et chimique  que le nucléaire, l’électronique et l’informatique.

Le développement de la biotechnologie est donc lié à celui de l'électronique, de l'informatique et du nucléaire. Aussi ses produits, dont l’OGM (l’Organisme Génétiquement Modifié) est également le produit de ces technologies. Par   ailleurs, comme la biotechnologie contribue aussi au  développement de ces trois technologies, l'OGM pourrait même s'y avérer nécessaire.

Rappelons que l'OGM, pour  Organisme Génétiquement Modifié  répond à une définition précise selon la loi (n° 92654 du 13 juillet 1992). Un OGM est  « un organisme dont le matériel génétique a été modifié d'une manière qui ne s'effectue pas naturellement par multiplication et/ou par recombinaison naturelle. » Par conséquent un OGM est un organisme vivant, par contre ses produits ne sont pas des OGM. (Un plan de maïs transgénique est un OGM par contre ces grains et son huile ne le sont pas). L'organisme vivant peut être une plante, un animal ou un microorganisme. 

Rappelons que par opposition à l’inanimé, le vivant est un état d’activité de la substance organisée. Cet état rassemble un certain nombre de phénomènes : le métabolisme, la croissance, la reproduction… Ces phénomènes sont associés à des  niveaux d’organisation de la substance qu’étudie la biologie.

La Biologie

La biologie, l'étude des systèmes vivants nécessite la connaissance de la physique, de la chimie et des mathématiques. De ce fait, la biologie est une science  interdisciplinaire. Les disciplines qui composent la biologie étudient la vie à ses nombreux niveaux d’organisation : les molécules, les cellules, les tissus, les organes, les systèmes, les organismes et les populations.

Histoire de la biologie

De ses origines à l’OGM, l’histoire de la biologie est faite de nombreux apports allant de l’observation à l’audace en passant par l’art, la communication et les sciences fondamentales.

La connaissance de la biologie est aussi vieille que le monde comme le montrent le développement de l’agriculture et l’utilisation des plantes en thérapie entre autres.

L'observation 

La biologie devint une discipline scientifique avec Aristote (382 av. J.-C. -  322 av. J.-C.) Celui-ci avait instauré l'observation et l'analyse en tant qu'instru- ments fondamentaux de la biologie.

L'art

À la Renaissance (XV-XVIIèsiècle) l’art contribua aux progrès rapides de la biologie. En effet, au XVe et XVIè siècles, Léonard de Vinci et Michel‑Ange, à travers leur quête de perfection artistique, s’avérèrent d’illustres anatomistes.

Figure 3 - Sainte Catherine, peinture de Michel- Ange

L'audace

Au XVIè siècle le Flamand André Vésale instaure la pratique de la dissection comme support de l'enseignement. Son traité De humani corporis fabrica, en 1543 et en 1550, contient des illustrations anatomiques détaillées qui deviendront des références. Au XVIIè siècle,William Harvey introduit l'expérimentation dans l'étude de l'appareil circulatoire humain. Ce fut le point de départ de la physiologie des mammifères.

Les sciences fondamentales

Les disciplines scientifiques ayant contribué au développement de la biologie et de la biotechnologie par la suite sont la physique, la chimie et beaucoup plus tard les mathématiques par l'utilisation des statistiques dans l'analyse   des résultats

Les premiers microscopes apparaissent vers 1615, mais ce n'est qu'à partir de la seconde moitié du XVIIe siècle que cinq spécialistes dont les travaux sont devenus des classiques, l'Italien Marcello Malpighi, les Hollandais Antonie Van Leeuwenhoek et Jan Swammerdam, et les Anglais Robert Hooke et Nehemiah Grew, développent la microscopie. Parmi leurs réussites est particu- lièrement remarquable la description par Malpighi des capillaires pulmonaires et des corpuscules rénaux, tandis que Hooke utilise pour la première fois le terme «cellule» dans Micrographia (1665).

À la fin de la Renaissance (1687) les bases de la systématique moderne furent établies grâce aux travaux de l'Anglais Isaac Newton, Principia.

L'exploration 

L'exploration a sa part importante dans le developpement de la biologie. Au siècle des Lumières, suite à un voyage en Lapponie (1735), le Suédois Carl von Linné s'investit dans l'établissement de  la nomenclature binaire. Le nom scientifique complet des plantes et des animaux se compose de deux mots latins désignant le genre et l'espèce.

Beaucoup de scientifiques emprunteront le pas du Suédois von Linné dans l’exploration. Le plus célèbre de tous est sans doute Charles Darwin. Ses observations sur les oiseaux, les reptiles et les plantes à fleurs aux îles Galápagos, en 1835, lui permettent de poser les fondements de sa théorie relative à l'évolution des espèces.

En 1727, le Britannique Stephen Hales démontre que l'air contient au moins un élément indispensable à la synthèse des nutriments. En 1779, le Hollandais Jan Ingen‑Housz identifie cet élément – il s'agit du dioxyde de carbone. Jean‑Baptiste Lamarck et  l'Allemand Treviranus inventent le terme «biologie» en 1802,  pour étayer la théorie de l'hérédité des caractères acquis. En 1817, Georges Cuvier divise le règne animal en quatre grands groupes : les vertébrés, les mollusques, les articulés et les radiaires.

Après Hooke qui utilisa pour la première fois le terme «cellule», la théorie cellulaire est établie en 1838 et 1839 par un spécialiste en anatomie végétale, l'Allemand Matthias Schleiden. Dès lors les choses iront très vite. Entre 1868 et 1898, la théorie cellulaire voit son développement avec l'étude et la description de sous‑structures  (les organites cellulaires) – notamment les plastes et les mitochondries. Alors, les composantes de la biologie en particulier la microbiologie, la biochimie la génétique et la biologie moléculaire commencent à se distinguer et deviendront des disciplines à part entière. 

La communication

La formation des sociétés scientifiques dont les premières virent jour au début du XVIIè facilita la communication entre scientifiques. Les premières revues qui publient des découvertes scientifiques paraissent en Europe à partir de 1665: en France, le Journal des savants; à Londres, les Philosophical Transactions de la Société royale.

Evolution des composantes de la biologie 

La microbiologie

Après la découverte des micro‑organismes, c'est en 1864 que Louis Pasteur établit défini- tivement la preuve récusant la théorie de la génération spontanée : aucun organisme n'apparaît dans un milieu nutritif stérilisé à la chaleur. 

La génétique et la biologie moléculaire

La génétique, science de l'hérédité, fait ses premiers pas avec les travaux du moine morave Gregor Mendel, qui publie ses résultats en 1866. Ses expériences approfondies et systématiques sur les pois le conduisent à la conclusion que l'héritage de tout caractère est contrôlé par deux unités physiques qu'il appelle des facteurs. Ces unités, ou gènes, héritées chacune de l'un des deux parents, sont transmises au descendant. 

Le concept de gène est développé en 1900 à travers la redécouverte et la confirmation des travaux de Mendel par trois botanistes, le Néerlandais Hugo de Vries, l'Allemand Carl Erich Correns et l'Autrichien Erich Tschermak von Seysenegg

Toutefois, dès 1883, le Français Roux émet l'hypothèse selon laquelle le noyau de la cellule contient des arrangements linéaires de composants en forme de chapelet qui se répliquent (produisent des copies conformes) pendant la division cellulaire; mais c'est l'Américain Thomas Hunt Morgan qui, au début des années 1920, établit la théorie chromosomique (les gènes sont localisés sur les chromosomes).

Le rôle de la génétique dans le domaine de l'évolution est démontré en 1937 par l'Américain Theodosius Dobzhansky dans son ouvrage la Génétique et l'origine des espèces.

la démonstration qu'à un gène donné correspond une enzyme déterminée n'est apportée qu'en 1941 par les Américains George W. Beadle et Edward L. Tatum.

En 1960, les travaux de Jacques Monod, de François Jacob et d'André Lwoff permettent de comprendre le mécanisme de la biosynthèse des protéines et de sa régulation.

Figure 4 - Structure de l'ADN

Le modèle structural (Figure 4) proposé en 1953 par l'Américain James D. Watson et le Britannique Francis H. Crick pour l'acide désoxyribonucléique (ADN) constitue un jalon important dans l'histoire de la biologie.

Il permet d'imaginer le processus de la réplication qui sera observé en 1958 par Matthew Stanley Meselson et Franklin William Stahl. 

Les biologistes purent alors expliquer comment l'information est stockée et transmise fidèlement d'une génération à l'autre. Ainsi  naquit la biologie moléculaire

 La biochimie 

La coordination chimique des fonctions organiques sans contrôle direct du système nerveux est établie en 1905 par les Britanniques William M. Bayliss et Ernest H. Starling (les premiers à employer le terme «hormone»). En 1935, la découverte des stéroïdes marque le début de l'ère de la biochimie.

La première mise en évidence de ferments (le mot «enzyme» n'est inventé qu'en 1878, par Kühne) dans le suc pancréatique est effectuée en France par Claude Bernard. Il détermina expérimentalement les multiples fonctions du foie, dont la fonction glycogénique (stockage et libération du glucose).

Dans les années 1930, l'Allemand Otto H. Warburg découvre une série d'enzymes cellulaires impliquées dans l'activité métabolique. Vers 1950, son compatriote Hans A. Krebs démontre l'existence d'une autre série de réactions enzymatiques (cycle de l'acide citrique, ou cycle de Krebs) qui complète le processus d'oxydation: le schéma général de la respiration cellulaire est clairement établi (Figure 5) 


Figure 5 - Schéma général de la respiration cellulaire

  La physiologie végétale           

L'étude de la photosynthèse débute au milieu du XIXe siècle lorsque Julius von Sachs et Nathanael Pringsheim démontrèrent que la lumière est la source d'énergie des plantes vertes. 

En 1905, Blackman montre que toutes les étapes du processus ne requièrent pas la lumière du soleil. 

Les résultats des travaux effectués entre 1920 et 1930 apportent la preuve que les chloroplastes produisent de l'oxygène. Il est ensuite établi que les réactions dépendantes de la lumière entraînent la synthèse de molécules qui stockent l'énergie lumineuse. 

L'itinéraire du dioxyde de carbone (CO2) dans la photosynthèse est reconstitué au début des années  1950 par Melvin Calvin grâce à l'emploi du 14C  un isotope radioactif du carbone. 

Les résultats des travaux de Melvin Calvin montrèrent que Blackman ne s'était pas trompé. Il intervient en effet au sein des chloroplastes deux séries distinctes de réactions: les premières sont dépendantes de la lumière (réactions lumineuses), au contraire des secondes (réactions sombres); les produits hautement énergétiques synthétisés dans un premier temps sont nécessaires à l'assimilation du dioxyde de carbone (synthèse des glucides) dans le second (Figure 6) 

Figure 6 - La photosynthèse résumée

La chimie 

L'essor de la biotechnologie est liée à  la chimie  : la chimie organique par les synthèses d'amorce dans la manipulation d'ADN par exemple et la chimie analytique dans la caractérisation et détermination des produits et des milieux opératoires (isolement, identification et  effets physico-chimiques attenants). 

La physique

Outre la perfection croissante des appareils de mesure due au développement de l'électronique, de l'informatique et du nucléaire(dont la production de l'électricité), le développement de la biotechnologie est aussi celui de la biophysique : par la compréhension même de la tenue de l'ADN dans son environnement cellulaire (l'empactage), par les techniques et méthodes analytique de séparation

La physico-chimie des bioproduits

La biotechnologie et la physico-chimie des bioproduits (résultante des disciplines composantes de la biologie, de la physique et de la chimie) sont corollaires par leur essence, leur essor et leur avenir peut-être bien

Les mathématiques

La biotechnologie doit son essor en tant que science expérimentale aux mathématiques notamment aux statistiques et probalités: pour construire ses projets et plans de manipulation, pour la précision des résultats d'analyse.

La biotechnologie est recherche et développement dont l'outil principal est l'analyse combinatoire et la transposition pour trouver l'extra-ordinaire utile du moment.

La biotechnologie, la somme de plusieurs disciplines (les disciplines de la biologie, l’informatique, l’électronique, la chimie, la physique et les mathématiques) est l'exemple de la science  pluridisciplinaire par excellence. 

Depuis le début des années 2000, deux discipline émergent de biotechnologie: le génie biomoléculaire qui intervient à toutes les étapes de la manipulation du gène à la protéine et la chimie biomoléculaire qui s'intéresse à l’analyse de la manipulation génétique et à l'utilisation de l'expression du gène (physico-chimie, biocatalyse et  biotransformation)

Nous limitons notre étude bibliographique à la biotechnologie de produit végétaux et de microorganismes d'intérêt dans l'alimentation...  Suite