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Page 1 ACADEMIQUE 2020/2021 UNITE D’ENSEIGNEMENT : BIOTECHNOLOGIE CODE UE : EPD

Page 1 ACADEMIQUE 2020/2021 UNITE D’ENSEIGNEMENT : BIOTECHNOLOGIE CODE UE : EPD-GP ENSEIGNANT : Pr KORO KORO F., Maître de Conférences BIOTECHNOLOGIE Page 2 INTRODUCTION Les Bioprocédés ou Procédés de production mettant en œuvre des organismes vivants, des parties de ces organismes (ex. : certaines cellules) ou des produits de ces organismes (ex. : des enzymes). Le génie chimique, ou génie des procédés, désigne l'application de la chimie ou d'autres industries (agro- alimentaires, biotechnologies) à l'échelle industrielle. Elle a pour but la transformation de la matière dans un cadre industriel et consiste en la conception, le dimensionnement et le fonctionnement d'un procédé comportant une ou plusieurs transformations chimiques et/ou physiques. Les méthodes utilisées dans un laboratoire ne sont souvent pas adaptées à la production industrielle d'un point de vue économique et technique. Le génie chimique permet ainsi le passage d'une synthèse de laboratoire à un procédé industriel de même que son fonctionnement dans le respect des contraintes économiques, techniques, environnementales et de sécurité. Le génie chimique se situe à la convergence de plusieurs disciplines et étudie les transformations, les transports et les transferts de la matière, de l’énergie et de la quantité de mouvement pour établir des lois et des corrélations utilisables lors de la transposition ou de l'extrapolation à l'échelle industrielle dans les secteurs ci-après : laboratoire de contrôle de qualité ; industries chimique et para-chimique ; pharmaceutique ; pétrolière et pétrochimique ; agro-alimentaire et bio-industries ; ingénierie et industries d'équipement ; environnement : traitement de l'eau, de l'air, des déchets ; Industries diverses : métallurgie, textile, caoutchouc, verre, papier. Page 3 I. GENIE FERMENTAIRE ET BIOTRANSFORMATIONS La biotechnologie est une science multidisciplinaire qui englobe différentes techniques et procédés. Il s’agit peut-être actuellement de la technologie émergente la plus au point et la plus susceptible d’avoir un avenir de même que les sciences de l’information. En outre, cette situation s’est accélérée en raison des grands progrès de la biologie moléculaire ces dernières années, qui a permis d’obtenir des nouveaux organismes et des protéines de synthèse. C’est l’utilisation des potentialités du monde vivant à des fins appliquées. Les biotechnologies industrielles s’inscrivent dans le prolongement du génie biochimique en intégrant les avancées des trente dernières années du génie biomoléculaire pour l’optimisation des souches et des procédés de culture. Elles ont permis de redécouvrir des produits renouvelables tels que le bioéthanol, l’isoglucose, le glutamate, l’acide citrique, l’acide lactique, l’acrylamide ou encore les antibiotiques grâce à de nouvelles méthodologies comme par exemple la lecture (séquençage) et l’écriture de l’ADN (synthèse). La banalisation de ces méthodologies a décuplé les champs d’application des biotechnologies en remplaçant dans certains cas des molécules issues de la pétrochimie par des produits de fermentation et donc issus du carbone renouvelable. Ces évolutions ont permis des progrès considérables dans différents domaines des biotechnologies industrielles. Appliquées historiquement au secteur de la santé et de l’agroalimentaire ces nouvelles approchent s’adressent également désormais à la chimie de spécialité, aux bioénergies ou aux matériaux. Les biotechnologies industrielles de demain au service de la santé et de la chimie reposent notamment sur le développement de nouvelles méthodologies en ingénierie métabolique et biologie de synthèse. Les prérequis de la biotechnologie industrielle présentés lors de cette journée donnent des clés de succès aux développements de ces nouvelles méthodologies : des innovations de rupture en ingénierie métabolique et en génie des procédés, la capacité à nouer des alliances, la compétitivité des coûts, et la performance du produit en application. L’OCDE définit la biotechnologie comme « l’application à des organismes vivants des principes scientifiques et de l'ingénierie à la transformation de matériaux vivants ou non-vivants aux fins de la production de connaissances, de biens et de services ». La biotechnologie, ou « technologie de bioconversion » comme son nom l'indique, résulte d'un mariage entre la science des êtres vivants – la biologie – et un ensemble de techniques nouvelles issues d'autres disciplines telles que la microbiologie, la biochimie, la biophysique, la génétique, la biologie moléculaire, l'informatique, etc. Selon la bibliographie on observera donc les : Page 4 - Biotechnologies « traditionnelles » Ce sont les différents processus de fermentation connus empiriquement par les humains depuis quelques milliers d’années : • Fermentation anaérobie : en absence d’oxygène : *Fermentation alcoolique : des sucres forment de l'alcool éthylique et du dioxyde de carbone : fabrication des boissons alcooliques comme la bière et le vin (vinification) ; fabrication du pain (panification) *Fermentation lactique : des sucres forment de l'acide lactique, un acide alpha hydroxylé : Fabrication des yaourts, des fromages, de certaines charcuteries, de la choucroute ; • Fermentation aérobie : en présence d’oxygène : * Fermentation acétique : l'alcool éthylique forme de l'acide acétique et de l'eau (acétification) : fabrication des vinaigres. De nombreuses autres technologies utilisées par l'agroalimentaire ou à la cuisine font aussi partie de la biotechnologie traditionnelle. L’utilisation des protéines (signalisation cellulaire, identification des récepteurs cellulaires) et les capacités d'isoler et de purifier des protéines. - Biotechnologies contemporaines nouvelles Elles incluent • la protéomique, avec le séquençage et la synthèse de protéines et peptides complexes, dont des hormones macromoléculaires • la génomique et la pharmacogénomique mais aussi l'utilisation de sondes géniques, du séquençage de l'ADN (grâce aux Séquenceur d'ADN), du séquençage d'ARN, de la synthèse d'ADN/ARN, de l'amplification d’ADN/ARN, du profil de l’expression génique et des technologies antisens qui ont permis d'élargir et accélérer les possibilités du génie génétique. Les biotechnologies jouent un rôle important dans le secteur des industries de la santé, mais ont aussi un rôle émergent dans les secteurs de l’environnement, de l’agriculture, de l’agroalimentaire, ainsi que pour la mise au point de processus industriels innovants. En Europe, des industriels et certains laboratoires ont proposé de classer les biotechnologies en grands domaines i.e. en catégories "colorées" : • « Biotechnologies vertes » (d'intérêt agricole) • « Biotechnologies rouges » (d'intérêt médical) • « Biotechnologies blanches » (production industrielle » génie biologique appliqué au service de la chimie) • « Biotechnologies jaunes » (traitement et élimination des pollutions) Page 5 • « Biotechnologies bleues » (liées à l'exploitation de la diversité génétique des organismes marins, par exemple pour créer de nouveaux cosmétiques, médicaments, produits aquacoles, agroalimentaires, etc.) • « Biotechnologies orange » (d'intérêt pédagogique, visant à diffuser les biotechnologies et développer du matériel éducatif et des stratégies sur les questions de biotechnologie) I.1. Biotechnologies vertes Dans le domaine agricole on parle de biotechnologies vertes (Fig3). Pour l'agriculture et l'environnement, les biotechnologies peuvent et pourraient permettre d'améliorer les caractéristiques des variétés de nombreuses espèces de diminuer l'usage d'engrais et pesticides en rendant en particulier les plantes plus résistantes aux maladies, contribuer à diminuer les émissions de polluants ou gaz à effet de serre, mieux protéger les ressources en eau, cultiver sur des sols pollués ou irriguer avec de l'eau salée, et capter dans l'air l'azote dont elles ont besoin. Figure 3. Biotechnologie vertes (Domaines Agro-alimentaire, agriculture, alimentation) I.2. Biotechnologies rouges Dans le domaine de la santé on parle de biotechnologies rouges (Fig4). Le secteur de la santé (humaine et vétérinaire) fait de plus en plus appel aux biotechnologies pour découvrir, tester et produire de nouveaux traitements, ex. : vaccins, protéines recombinantes, anticorps monoclonaux, thérapie cellulaire et génique (non-virale), vecteurs viraux, etc. Les biotechnologies sont également très utilisées pour diagnostiquer et pour mieux comprendre les causes des maladies. Cette tendance est de plus en plus marquée et transforme Page 6 petit à petit le secteur de l'industrie pharmaceutique, comme le confirme l'arrivée de nombreux acteurs dont les innovations véhiculent un grand nombre de promesses pour les patients comme pour les médecins. Les biotechnologies, dans le secteur de la santé, nécessitent un important effort de recherche pour comprendre le fonctionnement des organismes, concevoir des médicaments capables d'agir sur d'éventuelles perturbations, et mieux différencier la part du Génie génétique et de l'environnemental dans l'étiologie et l'épidémiologie des maladies. Cet effort de Recherche et Développement est de plus en plus externalisé par l'industrie pharmaceutique vers les sociétés de biotechnologie, avec l'objectif d'avoir accès à une offre plus diversifiée de produits finis, c’est-à-dire de candidats médicaments pour lesquels la preuve de concept (essais in vitro et/ou en culture cellulaire), la preuve de faisabilité (essais chez l’animal), voire l'évaluation clinique chez l’homme ont déjà été faites. La pharmacopée est le domaine pour lequel le public admet le mieux l'usage de la transgenèse, si les micro-organismes génétiquement modifiés sont cultivés en réacteurs fermés et non en plein champ, et avec les meilleures conditions de biosécurité. Figure 4. Biotechnologies rouges (Domaines de la santé, Protéines thérapeutiques, Diagnostics, Thérapie génique I.3. Biotechnologies blanches Dans le domaine de l'industrie on parle de biotechnologies blanches (Fig5, 6 a &b). Bien au-delà du secteur pharmaceutique, les biotechnologies blanches jouent un rôle croissant dans la bio-industrie, notamment dans les domaines de l’environnement. Les technologies blanches, parfois dites de seconde ou troisième génération, ont généralement recours à des bactéries utilisées comme vectrices et/ou productrices d'enzymes ou d'autres substances d'intérêt technique et commerciales. Les biotechnologies blanches Page 7 utilisent beaucoup la fermentation en bioréacteurs, l'importation d'organismes créés par génie génétique ou importés uploads/Industriel/ biotech-epd-gp.pdf