Biotechnologie industrielle: Introduction à la biotechnologie industrielle et à ses applications

Biotechnologie industrielle: Introduction à la biotechnologie industrielle et à ses applications!

La toute première expression des applications industrielles de la biotechnologie a été trouvée dans la production de bière, de vin, de fromage, de pain et d’autres produits fermentés.

Au fil des ans, ces applications se sont étendues à une très large gamme de produits dans les industries alimentaire, chimique et pharmaceutique. Le génie génétique et la biologie moléculaire se sont révélés inestimables non seulement pour le développement de nombreux produits, mais également pour la mise au point de nouveaux bioprocédés plus efficaces.

Biotechnologie et médecine:

L'utilisation de la biotechnologie a ouvert un tout nouveau monde de possibilités dans le domaine de la médecine. Ce large éventail d'applications a à son tour ajouté un vaste potentiel au domaine de la médecine. Par exemple, dans le cas des oncogènes, divers «marqueurs génétiques» ont été développés pour identifier les tumeurs malignes du sein, du côlon, des bronches, de l'œsophage et de la prostate. De nombreux troubles psychiatriques entraînant une défaillance de la mémoire et des comportements aberrants sont maintenant compris à la lumière de la suppression ou de l'activation de gènes.

Ceux-ci comprennent des démences telles que la maladie d'Alzheimer et la schizophrénie (cette dernière est provoquée par un seul gène aberrant). La biotechnologie offre également un potentiel énorme pour le contrôle de la fertilité. La transplantation d'organes et la manipulation du système immunitaire du corps ont également été rendues possibles. Les médicaments de synthèse sont un autre développement spécifiquement conçu pour manipuler tout ou partie de gènes individuels et pour supprimer ou induire des actions spécifiques.

Certaines des autres applications de la biotechnologie à la médecine sont: '

Antibiotiques:

La fabrication d'antibiotiques est la partie la plus rentable de l'industrie pharmaceutique. Plus d'une centaine d'antibiotiques sont actuellement utilisés et de nombreuses maladies bactériennes redoutées ont été maîtrisées. Les principaux groupes d'antibiotiques comprennent la pénicilline, la tétracycline, la céphalosporine et l'érythromycine.

La pénicilline a été découverte par Fleming en 1928 et développée par Howard en 1944 à partir d'un champignon appelé Penicillium notatum et plus tard de Pchrysogenum. Penicillium produit la plus grande quantité de pénicilline lorsque les cellules cessent de croître.

La fermentation de la pénicilline nécessite sept à huit jours pour un rendement maximal. Le champignon Cephlosporium est utilisé dans la fabrication de la céphalosporine C, un antibiotique capable de tuer même les bactéries qui deviennent résistantes à la pénicilline. La streptomycine a été découverte et produite à partir du microbe filamenteux Streptomyces griseus.

Les gènes en tant que tels ne codent pas directement les antibiotiques. La plupart d'entre eux sont produits à l'intérieur de la cellule suite à une séquence de réactions chimiques catalysées par des enzymes. Les enzymes sont assemblées à partir d'instructions de gènes spécifiques et les cellules pourraient être utilisées pour produire de nouveaux antibiotiques. La fusion cellulaire permet de générer une nouvelle combinaison de gènes.

Des gènes capables de donner aux cellules la tâche de fabriquer de nouveaux antibiotiques peuvent être présents dans la cellule elle-même, mais ils ne peuvent pas être exprimés. En fusionnant ces cellules, ces gènes peuvent être activés, de nouvelles enzymes synthétisées et les microbes résultants peuvent fabriquer de nouveaux antibiotiques.

Anticorps:

En cas d'invasion de bactéries, de champignons ou de virus dans le corps, le sang et les glandes lymphatiques génèrent des anticorps comme mécanisme de défense. Ces anticorps (ou immunoglobulines) identifient les substances étrangères (ou antigènes) et se fixent au matériel étranger. Il existe des millions de types différents d'anticorps dans le corps et chacun a une structure particulière. Si un anticorps rencontre une substance étrangère avec la même configuration, les deux se verrouillent ensemble.

Lorsque des antigènes sont implantés chez des souris, des lapins, des chèvres ou des chevaux, de nombreux lymphocytes B se lient à l'antigène pour produire une gamme d'immunoglobulines différentes en tant qu'anticorps dirigés contre l'antigène. Ainsi, les anticorps totaux générés contre un antigène particulier ont été produits par de nombreux clones différents dérivés de différents lymphocytes B et sont appelés polyclonaux. Les anticorps monoclonaux sont produits à partir d'un clone de cellules dérivées d'un seul lymphocyte B. Ces anticorps identiques reconnaissent exactement le même antigène.

Applications thérapeutiques:

Les anticorps monoclonaux développés contre un type particulier de cellules cancéreuses peuvent entraîner la régression de la tumeur, car les cellules cancéreuses sont reconnues comme étrangères au corps. Les anticorps monoclonaux peuvent déclencher le système immunitaire du patient pour commencer à attaquer une tumeur. Les médicaments anticancéreux qui sont physiologiquement liés à des anticorps monoclonaux dirigés contre des antigènes cancéreux spécifiques peuvent également être administrés directement contre la malignité.

Maladie auto-immune:

Cette maladie provoque une dégradation de la tolérance du corps à ses propres antigènes, les lymphocytes B et T réagissant tous deux contre leurs propres antigènes tissulaires. Dans le cas du rhumatisme articulaire aigu, le corps est immunisé contre les tissus du cœur et des articulations à la suite d’une infection. Les anticorps monoclonaux dirigés contre l’antigène des lymphocytes T sont maintenant utilisés pour étudier et traiter de nombreuses maladies auto-immunes.

Prévision du risque de maladie:

Des antigènes particuliers à la surface des cellules (comme ceux des leucocytes humains) ont été associés au risque relatif de survenue de maladies telles que la polyarthrite rhumatoïde. Ainsi, la reconnaissance précoce de ces antigènes à l'aide d'anticorps monoclonaux peut faciliter des mesures préventives appropriées.

Test de grossesse:

Après la fécondation et l’implantation, l’unité placentaire fœtale fonctionne comme une hormone produisant des glandes endocrines. Il s'agit notamment de l'hormone gonadotrope chorionique humaine, produite dans les trois jours suivant la conception et atteignant un niveau facilement détectable par les anticorps monoclonaux dans les sept jours. Les kits développés sont utilisés pour confirmer la grossesse dès le onzième jour suivant la conception.

Développement de protéines recombinantes à usage médical et thérapeutique:

Différents systèmes d'expression sont utilisés pour exprimer les protéines recombinantes. Ces systèmes d'expression peuvent être d'origine levure, bactérie, insecte ou virale. Les vecteurs d'expression procaryotes fournissent un système approprié pour la synthèse de protéines eucaryotes, mais les protéines peuvent manquer de nombreuses propriétés immunogènes, de conformation 3D et d'autres caractéristiques présentées par les protéines eucaryotes normales.

Les systèmes d'expression eucaryotes comprenant les mammifères, les amphibiens, les plantes, les insectes et les levures surmontent bon nombre de ces limitations. Le système d'expression des cellules de mammifères pose des difficultés pour la purification des protéines recombinantes, notamment en ce qui concerne la taille de la protéine recombinante exprimée et le mécanisme d'induction de l'expression des protéines. Un grand nombre de ces limitations peuvent être surmontées en utilisant des systèmes d'expression provenant de cellules d'insectes et de levures.

L'insuline, l'interféron, les vaccins, les protéines sanguines et les facteurs de croissance font partie des nombreuses substances fabriquées à l'aide de microbes génétiquement modifiés. Le génie génétique ou la technologie de l’ADN recombinant ou la manipulation génétique ont permis de transférer des gènes d’un organisme à un autre, amenant les cellules à fabriquer à moindre coût et en grande quantité les matériaux qui ne seraient normalement pas produits.

La production de substances par manipulation génétique implique l'insertion du gène qui code pour la protéine (le produit) à fabriquer dans un microbe, capable de synthétiser le produit. Le produit formé peut être ensuite collecté.

Avec l'avènement de la biotechnologie, de nombreuses substances biomédicales essentielles ont été générées et appliquées avec succès. Par exemple, la pénicilline G d'origine (benzylpénicilline) a un spectre d'activité relativement étroit contre les micro-organismes et ne peut être administrée par voie orale.

Les membres de la pénicilline semi-synthétique sont maintenant produits par élimination et / ou substitution de la chaîne latérale sur divers sites de la molécule par un processus chimique ou biologique. La pénicilline diffère de la benzylpénicilline. Il possède un groupe amino supplémentaire sur sa chaîne latérale qui confirme une gamme antibactérienne plus large et peut être administré par voie orale. L'enzyme utilisée pour cliver la chaîne latérale est la pénicilline acylase, qui est dérivée de plusieurs microbes, dont les E. coli et les répins Aspergillus.

Nouveaux médicaments et développement de vaccins:

De nombreuses cibles médicamenteuses potentielles ont déjà été identifiées. Ceux-ci incluent des enzymes métaboliques clés, des facteurs de croissance, des hormones, des substances transmissives, des produits oncogènes, des neuropeptides et diverses protéines réceptrices. La puissance de la technologie de l’ADNr peut être dirigée vers ces cibles pour les caractériser pleinement.

L'analyse de l'ADN peut être utilisée pour prédire la séquence d'acides aminés des gènes cibles clonés, et les protéines peuvent être exprimées en quantités suffisantes pour fournir un matériau pour les ponts cristallographiques à rayons X. L'effet des modifications apportées par la mutagenèse dirigée sur le site pourrait être démontré en termes de fonction structurelle. Ces connaissances sont essentielles aux programmes de conception de médicaments assistés par ordinateur.

C’est un autre domaine dans lequel les méthodes d’ADNr ont fait leurs preuves. Dans le passé, le développement de vaccins utilisait des méthodes empiriques pour obtenir des vaccins atténués ou tués afin d'accroître la sécurité des produits. Les méthodes de recombinaison permettent au chercheur de disséquer le gène de l’immunogène actif de l’organisme hôte et de l’introduire dans un système plus pratique et moins dangereux pour les niveaux d’expression élevés.

Voici quelques exemples:

Insuline:

C'est une hormone importante qui régule les taux de glucose.

Facteur antihémophilique:

C'est un matériau important purifié à partir de sang humain et utilisé dans le traitement de l'hémophilie. L'action s'est révélée difficile en raison de l'infection des hémophiles par le virus du SIDA.

Albumine de sérum humain:

C'est l'une des protéines du sang les plus couramment utilisées dans le traitement des traumatismes liés au choc, tels que les brûlures.

Enzymes techniques:

Ces enzymes sont utilisées pour traiter une gamme d'affections allant des maladies cardiaques à l'insuffisance rénale, en passant par certains types de déficiences enzymatiques héréditaires.

Des progrès rapides sont constamment réalisés sur le terrain, et de nouveaux horizons incluent le développement d’enzymes comme les biocapteurs ou les bio-électrodes pour surveiller de nombreux processus physiologiques.

Industrie alimentaire et des boissons:

Xylanases:

Les enzymes sont des molécules biologiques présentes dans divers organismes. Les microorganismes se sont révélés être une source riche d’enzymes d’importance industrielle. Une de ces enzymes est la xylanase. Différents types de xylanases ont été identifiés et isolés par manipulation génétique. Ceux-ci incluent des enzymes digestives pour les fibres naturelles comme le bois, la pâte et la cellulose.

Les xylanases jouent un rôle très positif dans l'amélioration de la qualité des produits de boulangerie. Par exemple, une enzyme spécifique de la xylanase a été identifiée et produite à partir d'une souche fongique (Aspergillus niger var awamori). Les manipulations moléculaires ont augmenté le niveau de production de ces enzymes de vingt à quarante fois. Cette enzyme (EXLA) a été développée par Unilever et est maintenant disponible gratuitement sur le marché.

On a découvert que la décoction de xylanase et de cellulase, appelée Flaxzyme, produisait une fibre propre lorsqu'elle était utilisée pour le rouissage de gènes produisant de la xylanase knaaf ont été isolées et insérées dans E. coli, qui est introduit dans l'alimentation du poulet. Les bactéries produisent de la xylanase, qui décompose le grain et permet au poussin de le digérer plus rapidement, favorisant ainsi une croissance plus rapide.

Une autre étude a été menée pour produire par voie enzymatique un nouveau matériau formateur de gel à base de protéines plasmatiques destiné à optimiser les produits carnés. La société TNO a mis au point un système de liaison de la viande froide fraîche appelé Fibrimex (une solution de fibrinogène, de thrombine et de transglutaminase) avec des morceaux de viande fraîche, qui forme à son tour une masse de viande conventionnelle.

Émulsifiants:

La gomme d'acacia est principalement utilisée comme émulsifiant dans l'industrie alimentaire en raison de ses propriétés émulsifiantes et stabilisantes. À l'aide de nouveaux outils moléculaires, les émulsifiants sont maintenant synthétisés à partir de glucides à couplage covalent tels que l'amidon, la pectine, le sucre et les protéines de blé, de lait et de soja.

Test d'allergie à l'arachide:

On a constaté que de nombreuses personnes manifestaient des réactions allergiques après avoir mangé des cacahuètes. Pour lutter contre ce problème, il est essentiel d'identifier la cause de cette allergie. À cette fin, une entreprise néerlandaise a mis au point un dosage immunologique extrêmement sensible pour détecter les protéines d’arachide dans les aliments. Il s’agit du premier dosage d’arachides ayant des applications commerciales.

Surveillance efficace:

Les scientifiques développent des modèles gastro-intestinaux polyvalents pour une surveillance détaillée de la digestibilité, de la bioconversion et de la biodégradabilité des aliments, des médicaments et des contaminants du point de vue de la sécurité et de la fonctionnalité. Ces modèles (TIM-TNO - modèles in vitro) sont maintenant utilisés pour étudier l’effet digestif des aliments nutraceutiques.

Edulcorant Haute Intensité:

Hoechst a développé «Aesulfamek», l'édulcorant d'intensité élevée sous le nom de Sunett ^TM . Son efficacité et ses tests de sécurité toxicologiques ont établi ce produit comme un édulcorant extrêmement efficace.

Apport en calcium:

L’une des applications les plus importantes et les plus novatrices de la biotechnologie consiste à améliorer la teneur en calcium de nos produits alimentaires. Des chercheurs ont montré que l’oligo-fructose, un oligosaccharide naturel et peu digestible, augmentait jusqu’à vingt-deux pour cent l’absorption du calcium. De telles études peuvent ouvrir la voie à de nouveaux domaines d'application de la santé et à de nouvelles classes d'ingrédients. Ces résultats peuvent être utilisés pour créer de nouveaux produits dans les domaines des produits laitiers, de la boulangerie, des confiseries et des boissons.

Aliments à partir de microbes:

Bien que le brassage et la boulangerie existent depuis des siècles, nous utilisons désormais des souches génétiquement pures. Des études montrent que chaque année, près de 1, 5 million de tonnes de levure de boulangerie (Saccharomyces cervisiae) sont produites dans le monde entier. Les installations modernes ont également réduit le temps nécessaire au processus de fermentation de quelques mois à quelques jours. De même, le champignon Aspergillus oryzae est utilisé pour produire une large gamme d’enzymes importantes.

Champignons comestibles:

McDonnall PLC & ICI (Zeneca) ont récemment obtenu la myco-protéine Quorn d’un champignon filamenteux, Fusarium graminecerarum. Le quorn est obtenu à partir de mycélium cultivés dans de grands fermenteurs. Le produit final obtenu présente une texture rappelant la viande et constitue l'aliment le plus testé. Les ventes annuelles de Quorn atteignent 15 millions de livres au Royaume-Uni seulement.

Produits industriels:

On a récemment découvert que l’enzyme cellulosique pouvait remplacer les pierres ponces utilisées dans l’industrie textile pour la fabrication de denim délavé. Cela aidera à contrer les dommages que le pymice peut causer au tissu. L'enzyme cellulosique peut également être utilisée comme agent de polissage biologique, car elle enlève le duvet de la surface des fibres de cellulose.

Les protéases et l'hydrolyse sont utilisées dans les détergents à lessive et le traitement de l'amidon, respectivement. La manipulation génétique peut créer des molécules plus simples à partir de ces molécules complexes ou transformer les structures chimiques déjà connues en composés plus actifs.

Par exemple, la douceur du sirop de maïs peut être sensiblement augmentée par transformation chimique en utilisant l'enzyme glucose isomérisation. Ces développements peuvent avoir de très larges applications dans les domaines pharmaceutique, alimentaire et agricole.

De nombreux produits industriels importants ont été fabriqués à partir de champignons en utilisant la technologie de fermentation. Les champignons, qui sécrètent des enzymes spécifiques, peuvent facilement décomposer les matières organiques. Des antibiotiques ont également été isolés de champignons.

Récemment, la cyclosporine a été isolée d'un champignon Tolypocladium inflatum en tant que composé antifongique, qui s'est avéré être un agent immunosuppresseur. Ce médicament est principalement utilisé pour prévenir le rejet des greffes d'organes humains.

Les organismes fongiques sont également une source de biopolymères comme les polysaccharides. Ces souches, lorsqu'elles sont cultivées dans des conditions spécifiques, peuvent aider à obtenir ces biopolymères, qui sont très utiles pour l'industrie. De nombreux champignons produisent un grand nombre de pigments et sont donc utilisés pour produire des colorants textiles.

Certains pigments fongiques sont connus pour être des dérivés de l’anthraquinone, qui ressemblent à un groupe important de colorants Vat. L'utilisation de ces colorants fongiques dans l'industrie textile réduit les problèmes liés à l'élimination des déchets de produits chimiques synthétiques.

Les plantes de coton sont très sujettes aux attaques d'insectes. Pour remédier à ce problème, des plants de coton transgénique ont maintenant été développés. Ces plantes portent un gène de la bactérie 'Bacillus thrungiensis', qui protège la plante des attaques d'insectes.

Les scientifiques tentent également de développer des cotons de couleur transgéniques, qui pourraient remplacer le processus de blanchiment et de mort. La biotechnologie a également eu un impact sur la production de fibres animales. Les manipulations génétiques peuvent empêcher le cisaillement de la laine chez les moutons, ce qui est dû aux attaques des larves de frites.

Plusieurs entreprises tentent de développer des biopolymères fibrogènes. Un tel produit développé par Zeneca Bio-products est le «Biopol». Ce composé chimique, le polyhy-droxybutyrate (PHB), est un polyester linéaire de haut poids moléculaire doté de propriétés thermoplastiques. Il peut donc être fondu et transformé en fibres.

Sa nature biocompatible et biodégradable le rend également extrêmement utile pour la fabrication d’outils chirurgicaux. Par exemple, les sutures en PHB sont facilement dégradables par les enzymes présentes dans le corps humain. Des tentatives sont également en cours pour cloner de tels gènes, puis pour les transférer aux plantes. Cela permettrait la production de ces composés en quantités beaucoup plus grandes et réduirait par la suite son coût.

Avantages pour l'industrie textile:

Outre la cellulose, les colorants et les plants de coton améliorés, les autres applications de la biotechnologie dans l'industrie textile comprennent:

1. Utilisation de variétés de plantes améliorées pour la production de fibres textiles et de propriétés de fibres.

2. Amélioration des fibres dérivées d'animaux.

3. Nouvelles fibres de biopolymères et microbes génétiquement modifiés.

4. Remplacement des produits chimiques corrosifs et énergivores par des enzymes écologiques pour le traitement des textiles.

5. Développement de détergents à faible énergie.

6. Nouveaux outils de diagnostic pour le contrôle de la qualité de la gestion des déchets textiles.

Industrie du papier:

Les champignons responsables de la pourriture blanche se sont révélés très utiles pour l'industrie papetière. Des espèces telles que 'Phanerochaete chrysosporium' et 'Trametis versicolor' ont remplacé certaines des étapes chimiques utilisées dans la fabrication du papier. Cela peut éliminer les risques de pollution associés à l'utilisation de produits chimiques.

Les forces biotechnologiques sont sur le point de proclamer une nouvelle révolution industrielle. La force de cette révolution réside dans l'exploitation d'organismes vivants et l'utilisation d'outils moléculaires comme alternatives efficaces aux matières premières conventionnelles. Et si les tendances actuelles l’indiquent, cette nouvelle révolution va redéfinir l’industrie à l’avenir.