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13.13 : Introduction aux applications de la biotechnologie - Biologie

13.13 : Introduction aux applications de la biotechnologie - Biologie


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Ce que vous apprendrez à faire : Identifier les utilisations sociétales de la biotechnologie

Cette vidéo fournit une introduction à certaines des plus récentes percées en biotechnologie : biocarburants, santé et agriculture.

Un lien vers un élément interactif se trouve au bas de cette page.

Dans ce résultat, nous discuterons des façons dont la biotechnologie est utilisée dans notre société.


QCM d'introduction de la biotechnologie

A. Les ribosomes contiennent des nucléotides d'ARN et des acides aminés
B. Une molécule d'ARN messager a la forme d'une double hélice
C. Le nucléotide uracile est constitué de la base azotée uracile, d'un sucre désoxyribose et d'un groupe phosphate
D. Chez les eucaryotes, l'ADN est fabriqué dans le noyau et l'ARN est fabriqué dans le cytoplasme
E. Aucune des réponses ci-dessus

10. La moisissure Penicillium a été découverte par le scientifique Alexander Fleming en quelle année ?

A. 1931
N. 1928
Vers 1935
D. 1939
E. Aucune des réponses ci-dessus

11. Parmi les propositions suivantes, laquelle est l'exemple de la biotechnologie rouge ?

A. Catalyseur industriel
B. Pesticides
C. Antibiotiques
D. Maïs Bt
E. Aucune des réponses ci-dessus

12. Lequel des scientifiques suivants a découvert Mold Penicillium ?

A. Alexandre Fleming
B. Louis Pasteur
C. Charles Darwin
D. Chaïm Weizmann
E. Aucune des réponses ci-dessus


Pour les exercices de calcul, MATLAB® sera utilisé de manière intensive.

À la fin du cours, l'étudiant doit être capable de :

  • Formuler des bilans massiques de réseaux réactionnels
  • Résoudre des équations de bilan massique à l'aide de solveurs de programmation linéaire
  • Analyser des articles sur la modélisation et l'analyse des réseaux biologiques
  • Évaluer / Évaluer des méthodes alternatives pour l'étude des réseaux biologiques
  • Construire des modèles cinétiques de réactions biologiques

Biotechnologie : diverses applications de la biotechnologie

Les processus technologiques de l'ADN recombinant ont eu un grand impact dans le domaine des soins de santé par la production de masse de médicaments thérapeutiques sûrs et plus efficaces.

En outre, la thérapeutique recombinante n'induit pas de réponses immunologiques indésirables. Aujourd'hui, environ 30 produits thérapeutiques recombinants ont été approuvés pour un usage humain dans le monde entier. En Inde, 12 d'entre eux sont actuellement commercialisés.

Insuline génétiquement modifiée :

Rôle de Sharpy-Shafer, Banting, Best et Macleod. Sharpy-Shafer (1916) a d'abord exprimé l'opinion que le diabète est causé par l'incapacité des îlots du pancréas à sécréter une substance qu'il a nommée insuline. L'insuline est sécrétée par les cellules bêta des îlots de Langerhans du pancréas. En 1921, Banting et Best réussirent à préparer un extrait pur d'insuline à partir des îlots pancréatiques d'un chien avec l'aide de Macleod. Banting et Macleod ont remporté le prix Nobel de médecine ou de physiologie en 1923.

Ils ont démontré que l'administration d'insuline pouvait guérir le diabète chez les êtres humains, auparavant, l'insuline pour guérir le diabète était extraite du pancréas des porcs et des bovins abattus. Cette insuline est légèrement différente de l'insuline humaine et entraîne des effets secondaires indésirables tels que l'allergie.

Structure de l'insuline :

L'insuline humaine est composée de 51 acides aminés disposés en deux chaînes polypeptidiques, A ayant 21 acides aminés et В avec 30 acides aminés. Les deux chaînes polypeptidiques sont interconnectées par deux ponts disulfure (Fig. 12.9) ou liaisons S-S. Une liaison S-S se produit également dans la chaîne A. L'hormone se développe à partir d'un produit de stockage appelé proinsuline.

La proinsuline a trois chaînes, A, et . La chaîne С avec 33 acides aminés est éliminée avant la formation d'insuline. Les bactéries ne peuvent pas être amenées à synthétiser l'insuline à partir de leur gène en raison de la présence d'introns. Les bactéries ne possèdent pas d'enzymes pour éliminer la transcription médiée par les introns.

Comment l'insuline est-elle synthétisée ?

Comme indiqué précédemment, l'insuline est produite par les cellules bêta des îlots de Langerhans du pancréas. Le gène de cette synthèse protéique est situé sur le chromosome 11. Chez les mammifères, y compris les humains, l'insuline est synthétisée en tant que pro-hormone (comme une proenzyme, la prohormone doit également être traitée avant de devenir une hormone pleinement mature et fonctionnelle) qui contient un tronçon supplémentaire appelé le peptide .

Ce peptide n'est pas présent dans l'insuline mature et est éliminé lors de la maturation en insuline. Le principal défi pour la production d'insuline à l'aide de la technique de l'ADNr consistait à assembler l'insuline sous une forme mature. En 1983, Eli Lilly, une société américaine, a d'abord préparé deux séquences d'ADN correspondant aux chaînes A et de l'insuline humaine et les a introduites dans des plasmides d'Escherichia coli pour produire des chaînes d'insuline. Les chaînes A et ont été produites séparément, extraites et combinées en créant des liaisons disulfure pour former l'insuline humaine (humuline).

La structure moléculaire de l'insuline a été élaborée par Sanger. Tsan a synthétisé l'insuline humaine pour la première fois.

Production d'insuline humaine :

Il comporte essentiellement les étapes suivantes :

(i) Isolement du donneur ou du segment d'ADN :

Un segment d'ADN utile est isolé de l'organisme donneur.

(ii) Formation d'ADN recombinant (ADNr) :

Les segments d'ADN vecteur et donneur sont coupés en présence d'endonucléase de restriction. En présence de ligase, les segments d'ADN des deux sont joints pour former l'ADNr.

(iii) Production de plusieurs copies d'ADNr :

La prochaine étape du processus est la production de plusieurs copies de cet ADN recombinant.

(iv) Introduction d'ADNr dans l'organisme receveur :

Cet ADNr est inséré dans un organisme receveur.

(v) Criblage des cellules transformées :

Les cellules receveuses (hôtes) sont criblées en présence d'ADNr et du produit du gène donneur.

Les cellules transformées sont séparées et multipliées, une méthode économique pour sa production en série. Les différentes étapes et leur séquence pour la production d'insuline humaine sont représentées sur la figure 12.11.

Le Dr Saran Narang, un scientifique d'origine indienne, travaillant à Ottawa, au Canada, a participé au clonage du gène de l'insuline.

je. Le plus célèbre des chiens Banting et Best utilisé était celui qui s'appelait "Marjorie”.

ii. Le premier patient diabétique à recevoir de l'insuline était Leonhard Thompson, 14 ans.

iii. L'insuline ne peut pas être administrée par voie orale au patient diabétique car elle se dégrade dans le tube digestif.

iv. Banting est né le 14 novembre 1891, le 14 novembre est donc considéré comme la « Journée du diabète ».

v. En 1982, l'insuline (Eli Lilly's Humulin) a été le premier produit fabriqué à partir de bactéries génétiquement modifiées à être approuvé pour une utilisation en Grande-Bretagne et aux États-Unis.

Thérapie génique:

La thérapie génique est la technique du génie génétique pour remplacer « un gène défectueux » par un gène fonctionnel sain normal.

Types de thérapie génique :

(i) Thérapie génique germinale :

Dans ce type de thérapie génique, les cellules germinales, c'est-à-dire les spermatozoïdes ou les ovules (même les zygotes) sont modifiés par l'introduction de gènes fonctionnels, qui sont ordinairement intégrés dans leurs génomes.

(ii) Thérapie génique des cellules somatiques :

Dans ce type de thérapie génique, le gène n'est introduit que dans les cellules somatiques.

Seule l'introduction d'un nouveau gène dans les cellules somatiques est actuellement autorisée. La modification génétique des cellules germinales de la progéniture n'est pas autorisée.

Maladies et thérapie génique :

Les maladies que les scientifiques tentent sérieusement de contrôler grâce à la thérapie génique sont l'immunodéficience combinée sévère (SCID), la dystrophie musculaire de Duchenne et la mucoviscidose. Ces troubles sont principalement dus à des défauts monogéniques. Le cancer, les maladies cardiovasculaires, le diabète, l'hypertension, l'arthrite, la drépanocytose, etc. sont des troubles génétiques complexes. Cependant, le jour n'est pas loin où ces maladies pourront être guéries grâce à la thérapie génique.

Exemple. Déficit en adénosine désaminase (ADA) :

La première thérapie génique clinique a été administrée en 1990 à une fillette de 4 ans présentant un déficit en adénosine désaminase (ADA). Cette enzyme est très importante pour le fonctionnement du système immunitaire. Un déficit en ADA peut conduire à un déficit immunitaire combiné sévère (SCID). Le SCID est dû à un défaut du gène de l'enzyme adénosine désaminase.

Chez certains enfants, le déficit en ADA peut être guéri par une greffe de moelle osseuse. Cependant, dans d'autres, il peut être traité par une thérapie de remplacement enzymatique, dans laquelle un ADA fonctionnel est administré au patient par injection. Mais dans les deux approches, les patients ne sont pas complètement guéris.

Parce que ces patients n'ont pas de lymphocytes T fonctionnels, ils ne peuvent pas fournir de réponses immunitaires contre les agents pathogènes envahissants.

Dans un premier temps vers la thérapie génique (Fig. 12.12), des lymphocytes, une sorte de globules blancs, sont extraits de la moelle osseuse du patient et sont cultivés dans une culture à l'extérieur du corps. Un ADNc d'ADA fonctionnel (utilisant un vecteur rétroviral) est ensuite introduit dans ces lymphocytes, qui sont réinjectés dans la moelle osseuse du patient.

Mais comme ces cellules ne restent pas toujours vivantes, le patient a besoin d'une perfusion périodique de ces lymphocytes génétiquement modifiés. Cependant, si le gène isolé des cellules de la moelle osseuse produisant l'ADA est introduit dans les cellules à des stades embryonnaires précoces, il peut s'agir d'une guérison permanente.

Diagnostic moléculaire (diagnostic de la maladie) :

Il est bien connu qu'un diagnostic précoce et la compréhension de sa physiopathologie (symptômes, etc.) sont très importants pour le traitement efficace de la maladie. En utilisant les méthodes conventionnelles de diagnostic (analyses de sérum et d'urine, etc.), une détection précoce n'est pas possible. La technologie de l'ADN recombinant, la réaction en chaîne par polymérase (PCR) et le dosage immuno-enzymatique (ELISA) sont quelques-unes des techniques qui servent à un diagnostic précoce.

Les sondes moléculaires sont généralement des morceaux d'ADN simple brin (parfois des ARN) marqués avec des radio-isotopes tels que le 32p. Des sondes moléculaires sont disponibles pour de nombreuses maladies génétiques telles que la dystrophie musculaire de Duchenne, la mucoviscidose, la maladie de Tay-Sachs.

Les techniques analytiques utilisées pour l'identification d'un ADN spécifique, d'un ARN ou d'une protéine parmi des milliers de chacun sont collectivement appelées technique de transfert. Dans le transfert de Southern, l'extraction de l'ADN des cellules (par exemple les leucocytes) se produit. Ces derniers se forment sur des complexes hybrides d'ADN marqués qui peuvent être identifiés par exposition à un film radiographique.

Dans le transfert de Northern, l'ARN est identifié par une sonde d'ADN ou d'ARN marquée. En Western blot, la protéine est identifiée à l'aide d'une sonde d'anticorps marquée. Les sondes d'ADN marquées radioactivement sont formées.

La présence d'un agent pathogène (bactéries, virus, etc.) n'est généralement suspectée que lorsque l'agent pathogène a produit un symptôme pathologique. À ce stade, le nombre d'agents pathogènes est déjà très élevé dans le corps, mais un très faible nombre de bactéries ou de virus (lorsque les symptômes de la maladie ne sont pas encore visibles) peut être détecté par multiplication de leur acide nucléique par PCR.

La PCR peut détecter de très faibles quantités d'ADN. La PCR est maintenant généralement utilisée pour détecter le VIH chez les patients suspectés de SIDA. Il est également utilisé pour détecter des mutations dans les gènes chez les patients suspectés de cancer. C'est une bonne technique pour identifier de nombreux autres troubles génétiques.

Un ADN ou ARN simple brin lié à une molécule radioactive (sonde) peut s'hybrider à son ADN complémentaire dans un clone de cellules. Elle est suivie d'une détection par autoradiographie. Le clone ayant le gène muté n'apparaîtra pas sur le film photographique, car la sonde n'aura pas la complémentarité avec le gène muté.

ELISA est basé sur le principe de l'interaction antigène-anticorps. Il peut détecter de très petites quantités de protéines (anticorps ou antigènes) à l'aide d'enzymes (par exemple, la peroxydase ou la phosphatase alcaline). L'infection par un agent pathogène peut être détectée par la présence d'antigènes tels que des protéines, des glycoprotéines, etc. ou par la détection des anticorps synthétisés contre l'agent pathogène.

Stéroïdes:

Les stéroïdes sont des lipides cristallisables de haut poids moléculaire. Ils se composent d'un anneau à 8 carbones et de trois anneaux à 6 carbones. Les stéroïdes se trouvent à la fois dans les plantes et les animaux. Murray et Peterson (1950) ont observé que le champignon Rhizopus stolonifer pouvait provoquer l'hydroxylation des stéroïdes. Les utilisations importantes des stéroïdes sont :

(i) La cortisone et ses dérivés (prednisone et prednisolone) sont efficaces dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde.

(ii) Les hormones stéroïdes sont connues pour être des régulateurs du métabolisme dans le corps animal ou humain.

(iii) Un traitement stéroïdien est administré pour supprimer les réponses immunitaires chez les patients atteints de maladies auto-immunes ou les personnes ayant subi une transplantation d'organe.

(iv) La prednisolone est utilisée comme médicament anti-inflammatoire.

(v) Les œstrogènes et la progestérone sont utilisés dans la préparation de contraceptifs oraux (pilules contraceptives).

Vaccins:

Les vaccins sont soit des agents atténués (vivants mais faibles) ou morts (inertes) de la maladie qui, lorsqu'ils sont administrés à une personne en bonne santé, confèrent une immunité temporaire ou permanente à cette maladie particulière. Le terme vaccin a été introduit par Edward Jenner (1790) qui a travaillé sur la variole.

Plus tard, les découvertes de Jenner ont été étendues par Louis Pasteur (1879) à d'autres maladies infectieuses telles que l'anthrax, la rage et le choléra. Pasteur a établi la base scientifique de la vaccination. Récemment, des vaccins de deuxième génération ont été préparés à l'aide de techniques de génie génétique contre l'hépatite B et le virus de l'herpès.

Ils sont de qualité plus uniforme et produisent moins d'effets secondaires que les vaccins de première génération. De nos jours, la production de «vaccins de troisième génération» appelés vaccins synthétiques est en cours d'essai. Des vaccins anti-fertilité ont également été développés.

Les gènes codant pour les protéines antigéniques peuvent être isolés des agents pathogènes et exprimés dans les plantes. De telles plantes transgéniques ou leurs tissus produisant des antigènes peuvent être consommés pour la vaccination/immunisation. C'est ce qu'on appelle les vaccins comestibles.

L'expression de ces protéines antigéniques dans des cultures comme la banane et la tomate est utile pour l'immunisation des humains car les bananes et les tomates peuvent être consommées crues. Les vaccins comestibles produits dans des plantes transgéniques présentent de grands avantages tels que moins de problèmes de stockage, un système d'administration facile par alimentation et un faible coût par rapport au vaccin recombinant.

Hormone de croissance humaine (hGH) - somatotrophine:

La hGH est sécrétée par le lobe antérieur de l'hypophyse. La sécrétion de hGH est régulée par deux autres hormones sécrétées par l'hypothalamus. Ces hormones sont :

(i) hormone de libération de la somatotrophine qui stimule le lobe antérieur de l'hypophyse pour libérer la somatotrophine ou l'hormone de croissance

(ii) Somatostatine ou hormone inhibant la croissance qui inhibe la sécrétion d'hormone de croissance par le lobe antérieur de l'hypophyse. Le déficit en somatotrophine dans environ 3% des cas est héréditaire. Il a été estimé à environ 1 enfant sur 5 000. hGH est très utile pour les enfants nés avec hypopituitarisme qui est une forme de nanisme. Elle est causée par moins de sécrétion de hGH par le lobe antérieur de l'hypophyse. hGH est également utile dans la « guérison des blessures ».

Hormone de croissance bovine (BGH) :

Cette hormone a des usages vétérinaires. Par exemple, l'injection d'hormone de croissance bovine (BGH) à une vache peut augmenter la production de lait jusqu'à 25 %. La BGH améliore également le rendement en viande bovine chez les bovins (augmentation de 10 à 15 % de la masse corporelle).

Médecine légale (identification de meurtres, violeurs, etc.) :

La biotechnologie s'est avérée être une aubaine pour résoudre des crimes, des litiges, etc. Établir l'identité des victimes (par exemple, de meurtre, d'accidents, etc.), des criminels (par exemple, dans les cas de viol, de meurtre, etc.), du père ( en cas de conflit de paternité) etc. est incapable de résoudre les problèmes de crimes/cas. Une procédure biotechnologique, appelée empreinte ADN ou profilage ADN, est une approche hautement sensible, infaillible, absolument précise et extrêmement polyvalente de ce problème.

Des anticorps monoclonaux:

Les anticorps dérivés d'un seul clone de cellules qui ne reconnaissent qu'un seul type d'antigène sont appelés anticorps monoclonaux. La technique de production d'anticorps monoclonaux par fusion de cellules productrices d'anticorps normaux avec des cellules de tumeurs cancéreuses a été introduite par Georges Kohler et Cesar Milstein en 1970. Les principales étapes de la production d'anticorps monoclonaux avec des cultures hybrides sont mentionnées ci-dessous :

(i) Tout d'abord, un rat de souris ou un autre animal reçoit une injection d'un antigène spécifique (contre lequel les anticorps sont nécessaires).

(ii) L'animal commence à développer des anticorps contre l'antigène dans les cellules lymphocytaires B de la rate,

(iii) La rate de l'animal est prélevée et ses cellules lymphocytaires B sont isolées

(iv) De même, les cellules produisant le cancer de la moelle osseuse (cellules myélomateuses) sont isolées. Ces cellules ne devraient pas être capables de synthétiser leurs propres nutriments,

(v) Les deux types de cellules (c'est-à-dire les cellules de myélome et les cellules productrices d'anticorps) sont amenées à fusionner dans des cultures. Les cellules fusionnées sont appelées hybridomes.

(vi) La culture entière est déplacée vers un milieu déficient en nutriments nécessaires aux cellules myélomateuses où les cellules myélomateuses ne peuvent pas survivre. Dans ce milieu, toutes les cellules de myélome non fusionnées meurent et seules les cellules d'hybridome survivent. (vii) Les cellules d'hybridome survivantes sont autorisées à se multiplier séparément et chaque clone est testé pour sa capacité à produire un anticorps souhaité.

(viii) Les clones qui montrent des résultats positifs sont isolés et cultivés pour une production à grande échelle de l'anticorps.

Les anticorps monoclonaux sont hautement spécifiques d'antigènes spécifiques et peuvent être facilement cultivés à l'extérieur du corps. Ces anticorps sont donc plus efficaces et idéaux pour le diagnostic de certaines maladies spécifiques. L'une des applications les plus efficaces des anticorps monoclonaux est la suppression immunitaire pour la transplantation rénale.

Interférons (IFN) :

Les interférons sont des glycoprotéines antivirales (appelées cytokines) fonctionnant comme des régulateurs immunitaires ou des lymphokines produites par les cellules infectées en réponse à des infections virales (découvertes en 1957 par Alec Issacs et Jean Lindenmann). Ces protéines sont produites par la plupart des cellules du corps lors de l'exposition à des virus.

Ils diffusent vers les cellules voisines et déclenchent une réaction qui neutralise les virus particuliers. Certains interférons neutralisent également d'autres virus et, par conséquent, préviennent les infections virales. Ils inhibent également la prolifération cellulaire et modulent le système immunitaire de l'organisme.

Il existe trois grandes classes d'interférons

Ce type d'interféron est produit lorsque les leucocytes et les lymphocytes sont exposés au virus.

Ceux-ci sont produits par les fibroblastes, les cellules épithéliales, les macrophytes et les leucocytes en réponse à une infection virale.

Ceux-ci sont produits par les lymphocytes T induits par stimulation antigénique.

Jusqu'à récemment, la seule source d'interférons était les globules blancs humains ou les cellules humaines infectées par un virus cultivées en culture tissulaire. La production d'interféron humain par clonage de gènes dans des bacilles du côlon a été lancée en 1980 par deux scientifiques américains Gilbert et Weissmann.

Les travaux ont déclenché une vague d'expérimentation qui a abouti à la production d'interférons en grandes quantités par la technologie de l'ADN recombinant. Les interférons (en particulier l'IFN-a) sont utilisés à grande échelle pour le traitement de l'hépatite B. Les interférons sont également testés pour le traitement du cancer et de certaines maladies virales dont le SIDA.

Utilisation de la réaction en chaîne par polymérase (PCR) :

La PCR est une technique par laquelle n'importe quel morceau d'ADN peut être rapidement amplifié (copié plusieurs fois) sans utiliser de cellules.L'ADN est incubé dans un tube à essai avec un type spécial d'enzyme ADN polymérase, un mélange de désoxyribonuléotides à utiliser comme matière première et de courts morceaux d'ADN synthétique simple brin pour servir d'amorces pour la synthèse d'ADN. La PCR peut faire des milliards de copies d'un segment d'ADN en quelques heures.

Cloner un segment d'ADN dans une bactérie prend des jours. Lorsque la source d'ADN est peu abondante ou impure, elle peut être amplifiée par la technique PCR. L'amplification peut faciliter l'identification de l'ADN. Puisque la séquence de l'ADN du VIH est connue, son amplification par PCR peut aider à détecter l'ADN du VIH dans des échantillons de sang ou de tissus.

C'est souvent le meilleur moyen de détecter une infection. L'ADN d'une seule cellule embryonnaire est amplifié par PCR pour un diagnostic prénatal rapide des troubles génétiques. L'ADN d'infimes quantités de sang, de tissus ou de sperme trouvés sur le lieu du crime peut être amplifié pour faciliter son identification.

La technologie de l'ADN peut aider à identifier les personnes atteintes de troubles génétiques avant l'apparition des symptômes, voire avant la naissance. Il est également possible d'identifier des porteurs asymptomatiques d'allèles récessifs potentiellement nocifs, tels que l'hémophilie, la phénylcétonurie (PCU). La PCR est également utile pour les empreintes génétiques.

Faire un choix du sexe de bébé :

Récemment, des techniques ont également été développées qui ne nécessiteront pas d'avortement préférentiel mais permettront une fécondation préférentielle par des spermatozoïdes déterminants mâles (porteurs du chromosome Y) ou féminins (porteurs du chromosome X). Il existe actuellement des techniques qui permettent de séparer les spermatozoïdes porteurs des chromosomes Y de l'éjaculat d'un homme (par la méthode d'Ericson développée par R. Ericson des États-Unis) à utiliser pour l'insémination des femmes en ovulation.

Cette technique (utilisant le colorant à la quinacrine) a été utilisée avec 80% de succès dans 47 centres de sperme dans le monde dont un à Mumbai. Ericson a en fait créé une société nommée Gametrics Ltd, en Californie, aux États-Unis, spécialisée dans la séparation des spermatozoïdes avec le chromosome Y et des centaines d'enfants de sexe masculin ont été produits avec son aide.

Des techniques ont également été développées pour séparer les spermatozoïdes porteurs du chromosome X pour une insémination artificielle conduisant à la naissance d'enfants de sexe féminin. Cette technique implique une « colonne de gel de séphadex » dans laquelle les spermatozoïdes avec Y, étant plus légers, sont piégés dans le gel et ceux avec X étant plus lourds atteignent le bas de la colonne et peuvent être utilisés pour l'insémination.

Production de vitamines:

1. Vitamine B12 (riboflavine):

La riboflavine est produite commercialement par fermentation directe en utilisant le champignon Ashbya gossypii. Conditions de fermentation -pH 6,0 à 7,5, 4 à 5 jours à 28-30°C, aérobie.

2. Vitamine B12 (Cobalamine) :

Maintenant, une journée de vitamine B12 est produit par une fermentation directe utilisant des espèces de streptomyces telles que Streptomyces griseus. Conditions de fermentation -pH 6 à 7,7, 2 jours à 26 – 28°C, aérobie.

3. Vitamine С (Acide Ascorbique):

La vitamine С a été reconnue pour la première fois lorsqu'en 1747, le chirurgien naval écossais James Lind a découvert que quelque chose dans les aliments aux agrumes prévenait le scorbut. En 1928, Albert Szent-Gyorgyi, un biochimiste très admiré, fut le premier à isoler la vitamine (acide ascorbique). Il a ensuite remporté le prix Nobel de physiologie et médecine en 1937 pour d'autres travaux.

La vitamine a été la première vitamine à être synthétisée artificiellement selon un procédé inventé par le Dr Tadeusz Reichstein, de l'Institut suisse de technologie de Zurich en 1939. La vitamine est produite en utilisant Gluconobacter oxydans. Conditions de fermentation -pH 7, 45 heures à 30°C, aérobie.

4. Vitamine A (Р-Carotène) :

Le p-carotène est produit par les membres de la famille des phycomycètes choanephoraceae. Phycomyces blakesleeanus, Choanephora cucurbitarum et Blackeslea trispora ont été largement étudiés pour leur capacité à produire du P-carotène.

Applications de la technologie de l'ADN recombinant/génétique:

1. Analyse moléculaire des maladies :

La recherche sur l'ADN a aidé à comprendre la base moléculaire de maladies comme la drépanocytose, les thalassémies, etc.

2. Production de protéines en abondance :

En utilisant la technique de l'ADN recombinant, plusieurs protéines ont été produites en abondance pour guérir les maladies. Il s'agit de l'insuline, de l'hormone de croissance, des interférons, des vaccins, des érythroprotéines et des facteurs de coagulation sanguine.

3. Application de diagnostic en laboratoire :

La technologie de l'ADNr rend le diagnostic de nombreuses maladies (par exemple, le SIDA) simple et rapide.

Les maladies génétiques comme la drépanocytose peuvent être guéries grâce à la thérapie génique.

5. Diagnostic prénatal des maladies :

L'ADN prélevé dans le liquide amniotique entourant le fœtus peut être utilisé pour prédire les maladies génétiques.

6. Application à la médecine légale :

La technologie de l'ADNr a grandement aidé à identifier les criminels par empreinte ADN et à régler les conflits de parentalité des enfants.

7. Application agricole :

La technologie ADNr est utilisée pour développer des plantes transgéniques qui résistent à la sécheresse et aux maladies et augmentent leur productivité. Il améliore la qualité des aliments.

8. Application industrielle :

Les enzymes synthétisées par la technologie rDNA sont utilisées pour produire des sucres, du fromage et des détergents.

9. Application aux animaux :

Il est utilisé pour développer des bébés éprouvettes afin de surmonter l'infertilité et la production d'animaux transgéniques.

La technique de l'ADNr est d'une grande utilité pour joindre plusieurs chaînons manquants dans l'évolution. Cela se fait en amplifiant l'ADN d'animaux disparus.

Éthique Problèmes:

L'éthique comprend des règles de conduite par lesquelles une communauté réglemente son comportement et décide quelle activité est légale et laquelle ne l'est pas. Par conséquent, la bioéthique comprend des règles de conduite qui peuvent être utilisées pour réguler nos activités en relation avec le monde biologique.

Les principales préoccupations bioéthiques relatives à la biotechnologie sont brièvement mentionnées comme suit :

(i) L'introduction d'un transgène d'une espèce dans une autre espèce viole « l'intégrité de l'espèce »,

(ii) La biotechnologie peut présenter des risques imprévus pour l'environnement, y compris un risque pour la biodiversité,

(iii) Le transfert de gènes humains à des animaux (et vice-versa) dilue le concept d'« humanité »,

(iv) Lorsque les animaux sont utilisés pour la production de protéines pharmaceutiques, ils sont pratiquement réduits au statut d'« usine »,

(v) L'utilisation d'animaux en biotechnologie leur cause de grandes souffrances,

(vi) La biotechnologie est irrespectueuse envers les êtres vivants et ne les exploite qu'au profit des êtres humains.

Par conséquent, le gouvernement indien a mis en place des organisations telles que le GEAC (Comité d'approbation du génie génétique), qui prendra des décisions concernant la validité de la recherche GM et la sécurité de l'introduction d'organismes GM pour les services publics.

1. Certaines entreprises se voient octroyer des brevets pour des produits et des technologies qui utilisent du matériel génétique, des plantes et d'autres ressources biologiques qui ont été identifiés, développés et utilisés depuis longtemps par les agriculteurs et les personnes ordinaires d'une région/un pays particulier. Il existe de nombreuses variétés de riz rien qu'en Inde.

La diversité du riz en Inde est l'une des plus riches au monde. Le riz basmati se distingue par son arôme et sa saveur uniques et 27 variétés documentées de basmati sont cultivées en Inde. Il y a une référence au Basmati dans les livres anciens, car il a été cultivé pendant des siècles. En 1997, une société américaine a obtenu des droits de brevet sur le riz Basmati par l'intermédiaire de l'Office américain des brevets et des marques.

Cela a permis à l'entreprise de vendre une « nouvelle » variété de Basmati, aux États-Unis et à l'étranger. Cette «nouvelle» variété de Basmati était en fait dérivée de variétés de fermiers indiens. Le Basmati indien a été croisé avec des variétés semi-naines et revendiqué comme une invention ou une nouveauté. Le brevet s'étend aux équivalents fonctionnels, ce qui implique que d'autres personnes vendant du riz Basmati pourraient être restreintes par le brevet.

2. Plusieurs tentatives ont également été faites pour breveter des utilisations, des produits et des procédés basés sur les plantes médicinales traditionnelles indiennes, par exemple le curcuma neem. Si nous ne sommes pas vigilants, d'autres pays/individus pourraient profiter de notre riche héritage.

La plupart des pays développés sont riches financièrement mais pauvres en biodiversité et en connaissances traditionnelles. En revanche, le monde en développement et le monde sous-développé sont riches en biodiversité et en savoirs traditionnels liés aux bioressources. Les connaissances traditionnelles liées aux bioressources peuvent être exploitées pour développer des applications modernes.

Certains pays élaborent des lois pour empêcher une telle exploitation non autorisée de leurs bioressources et de leurs connaissances traditionnelles.

3. Les cultures GM font rapidement partie de l'agriculture dans le monde entier en raison de leur contribution à l'augmentation de la productivité des cultures et à la sécurité mondiale des denrées alimentaires, des aliments pour animaux et des fibres, en plus de leur utilisation dans les soins de santé et l'industrie.

4. L'effet des cultures GM sur les insectes/microbes non ciblés et utiles.

5. Les transgènes peuvent s'échapper par le pollen vers des espèces végétales apparentées (pollution génétique) et conduire au développement de super mauvaises herbes.

6. Les cultures GM peuvent modifier la nature végétale fondamentale des plantes à mesure que les gènes d'animaux (par exemple, poisson ou souris) sont introduits dans les plantes cultivées.

7. La sécurité des aliments GM pour la consommation humaine et animale (par exemple, les aliments GM peuvent provoquer une allergénicité).

8. L'effet des cultures GM sur la biodiversité et l'environnement.

9. Les transgènes peuvent passer des plantes à la microflore intestinale des humains et des animaux et provoquer une résistance aux antibiotiques.

10. Les cultures GM peuvent conduire à un changement dans le modèle évolutif.

11. Les scientifiques ne peuvent exclure la possibilité d'une mutation ou d'autres dommages biologiques.

12. La libération de plantes et d'animaux génétiquement modifiés dans l'environnement pourrait perturber l'équilibre écologique existant.

13. L'utilisation de micro-organismes recombinants à diverses fins commerciales peut créer accidentellement de nouveaux agents infectieux.

14. La principale crainte associée aux micro-organismes génétiquement modifiés est qu'ils pourraient s'échapper du laboratoire dans l'environnement avec des conséquences fatales imprévisibles. Le virus du SIDA est censé être le résultat d'une telle recherche.

Bio-brevet :

Un brevet est le droit accordé par un gouvernement à un inventeur d'empêcher les autres d'utiliser son invention à des fins commerciales. Lorsque des brevets sont accordés pour des entités biologiques et pour des produits qui en sont dérivés, ces brevets sont appelés biobrevets. Principalement, les pays industrialisés, comme les États-Unis, le Japon et les membres de l'Union européenne, attribuent des brevets biologiques. Les bio-brevets sont attribués pour (i) les souches de micro-organismes, (ii) les lignées cellulaires, (iii) les souches génétiquement modifiées de plantes et d'animaux, (iv) les séquences d'ADN, (v) les protéines codées par les séquences d'ADN, (vi) diverses procédures biotechnologiques, (vii) procédés de production, (viii) produits et (ix) applications de produits. Il y a une opposition des groupes sociaux aux biobrevets. Ces objections sont principalement éthiques et politiques. Certains biobrevets ont une couverture très large. Par exemple, un brevet couvre « toutes les plantes transgéniques de la famille Brassica ».

Brevets annulés sur des inventions de produits naturels :

Les brevets sur les inventions de produits naturels peuvent faire l'objet d'attaques à moins que toutes les connaissances du public sur l'espèce en question et son utilisation ne soient entièrement divulguées. Par exemple, un brevet de 1995, « Utilisation du curcuma dans la cicatrisation des plaies », a été annulé en 1998. De nouvelles preuves ont établi que l'utilisation du curcuma pour favoriser la cicatrisation des plaies était connue depuis des générations en Inde.

De même, la plante de 1986 revendiquait une nouvelle variété distincte de Banisteriopsis caapi, connue en Amazonie sous le nom d'ayahuasca. Cependant, de nouvelles preuves établissent que la plante revendiquée est en fait le type sauvage non cultivé et qu'elle n'est ni nouvelle ni distinctive. La COICA, une organisation de peuples autochtones, et la Coalition amazonienne ont demandé le réexamen du brevet de l'ayahuasca, cherchant à éliminer ce qui est perçu comme une expropriation immorale de leur patrimoine traditionnel et biologique. D'autres défis de ce type peuvent être anticipés.

Importance des bio-brevets :

Le système de bio-brevet autorise des droits de monopole privés sur les cellules, les gènes, les animaux et les plantes. Cela signifie que les gens ne partageront pas les informations vitales de la recherche parce qu'ils ont peur qu'ils soient brevetés par quelqu'un d'autre. Les gens ne rechercheront pas dans des domaines dominés par les brevets.

Elle conduira à des programmes de recherche dominés par la brevetabilité et la rentabilité plutôt que par le besoin. Il donne au titulaire du brevet un contrôle monopolistique sur les ressources destinées à l'alimentation et à la médecine. Les avantages importants des bio-brevets sont qu'ils sont une incitation directe au génie génétique. Les arguments en faveur des bio-brevets sont avant tout une croissance économique accrue.

Les gènes, les cellules, les micro-organismes, les plantes et les animaux ne sont pas une invention et, par conséquent, ne devraient pas être brevetés.

Bio-piratage:

Certaines organisations et sociétés multinationales exploitent et/ou brevettent des ressources biologiques ou des bio-ressources d'autres nations sans l'autorisation appropriée des pays concernés, c'est ce qu'on appelle la bio-piraterie.

Aspects historiques :

Quelques exemples de voyages de collecte célèbres sont donnés ci-dessous :

(a) L'histoire enregistrée des missions internationales de collecte de plantes remonte à au moins 3 500 ans, lorsque les dirigeants égyptiens ont commencé à ramener des plantes à la maison après des expéditions militaires.

(b) Au siècle dernier, l'Empire britannique a institué des collections régulières de plantes. Lors du Voyage du Beagle, Charles Darwin a simplement pris ce qui l'intéressait, des Galapagos et d'ailleurs, et l'a ramené chez lui.

(c) Les Jardins botaniques royaux ont pris des hévéas du Brésil et les ont plantés en Asie du Sud-Est. Ils ont pris des graines de quinquina de Bolivie, en violation de la loi nationale, et les ont plantées en Inde.

(d) La mission navale du Commodore Perry au Japon a collecté une grande variété de plantes à rapporter aux États-Unis.

(e) Plus récemment, les aventures de Richard Shultes au milieu du XXe siècle sont devenues une légende parmi les ethnobotanistes. Il a pu se lier d'amitié avec des chamanes locaux, qui lui ont permis de collecter des milliers de spécimens de référence de plantes médicinales, dont des centaines n'avaient jamais été identifiés taxonomiquement auparavant.

Aucun de ces célèbres voyages de collecte n'a été contesté sur le plan juridique. Si c'était fait aujourd'hui, comment seraient-ils remis en cause ?

Exploitation des Bio-ressources :

Les institutions et les entreprises des pays industrialisés collectent et exploitent les bio-ressources, comme suit :

(i) Ils collectent et brevettent eux-mêmes les ressources génétiques. Par exemple, un brevet délivré aux États-Unis couvre l'intégralité du germoplasme du riz « basmati » indigène de notre pays,

(ii) Les bioressources sont en cours d'analyse pour l'identification de biomolécules précieuses. Une biomolécule est un composé produit par un organisme vivant. Les bio-molécules sont ensuite brevetées et utilisées pour des activités commerciales,

(iii) Les gènes utiles sont isolés des bio-ressources et brevetés. Ces gènes sont ensuite utilisés pour générer des produits commerciaux,

(iv) Les connaissances traditionnelles liées aux bioressources sont utilisées pour atteindre les objectifs ci-dessus. Dans certains cas, les savoirs traditionnels eux-mêmes peuvent faire l'objet d'un brevet.

Brazzein :

La brazzeine est une protéine produite par une plante d'Afrique de l'Ouest, Pentadiplandra brazzeana, qui est environ 2 000 fois plus sucrée que le sucre. Il est utilisé comme édulcorant hypocalorique. Les populations locales utilisent les baies super sucrées de cette plante depuis des siècles. Mais la protéine brazzein a été brevetée aux États-Unis. Le gène codant pour la brazzeine a également été isolé, séquencé et breveté aux États-Unis. Il est proposé de transférer le gène de la brazzeine dans le maïs et de l'exprimer dans des grains de maïs. Ces noyaux seront ensuite utilisés pour l'extraction de brazzein. Cette évolution pourrait avoir de graves conséquences pour les pays exportateurs de grandes quantités de sucre.

Exemples de bio-piratage :

Le ministère thaïlandais des Sciences et son Institut de biotechnologie ont accusé l'Université britannique de Portsmouth de « bio-piraterie » car ils ont refusé de restituer jusqu'à 200 souches de champignons marins qu'ils ont collectés dans les eaux côtières et les marécages autour de la Thaïlande. Au lieu de cela, l'Université de Portsmouth serait en train de vendre les droits sur "leurs" champignons thaïlandais à une société pharmaceutique pour le dépistage, car les champignons sont censés contenir des composés pour traiter tout, du SIDA au cancer, valant des millions de livres. La Thaïlande insiste sur le fait que garder les champignons sans autorisation est une violation des accords internationaux.

L'Inde est un pays riche de traditions, de connaissances et d'expertise communautaires en médecines naturelles, épices, préparations alimentaires, pesticides biologiques et agriculture diversifiée. Il est ainsi assiégé par les bio-pirates. En brevetant sans consentement, des sociétés étrangères ont obtenu un collier au moins 22 plantes pour leurs dérivés bénéfiques. Des brevets ont été déposés sur des plantes telles que le poivre noir (Piper nigrum), le riz basmati (Oryza sativa), la moutarde indienne (Brassica campestris), la grenade (Punica granataum), le curcuma et le neem. Les entreprises américaines, japonaises et allemandes sont les principaux pirates de brevets.

Nestlé India a déposé un brevet de transformation sur les céréales cuites, le pulao de légumes et le riz étuvé, auprès de l'Office indien des brevets, même si les Indiens fabriquent du riz étuvé, souvent comme aliment de base depuis des siècles.

Bio-guerre :

La guerre qui est menée par des armes biologiques (armes biologiques) contre les humains, leurs cultures et leurs animaux est appelée guerre biologique (guerre biologique). Les virus, bactéries, champignons, spores et toxines peuvent être utilisés comme armes biologiques (BW). Les armes biologiques utilisées au cours du 20e siècle sont (i) 1942 Bntain a développé des quantités stratégiques d'anthrax, (ii) des prisonniers nazis des années 1940 infectés par Rickettsia spp. hépatite A, Plasmodia spp. et traité avec des vaccins et des médicaments expérimentaux, (iii) l'agent secret nazi des années 1940 Reinhardt Heydrich assassiné avec de la toxine botulique, (iv) l'Allemagne a utilisé Bacillus anthracis (anthrax) pour infecter le bétail et les aliments pour animaux exportés vers les Alliés, (v) 1932-1945 Japon a mené recherches sur B. anthracis, Shigella spp. V. cholera et Y. pestis.

Le programme américain d'armes biologiques peut être mentionné comme suit (i) En 1942, environ 5000 bombes remplies de B. anthracis ont été produites, (ii) Dans les années 1950, le programme s'est étendu pendant la guerre de Corée.

(iii) En 1955, des expériences humaines avec F. tularensis et C. burnetti. (iv) En 1949-1968, un organisme simulant a été libéré au large des côtes de San Francisco et dans le métro de New York, (v) En 1969, les États-Unis ont mis fin au programme offensif d'armes biologiques, (vi) En 1972, Convention et traité sur les armes biologiques.

Les maladies causées par les agents d'armes biologiques sont (i) la fièvre charbonneuse (ii) la variole (iii) la peste (iv) la fièvre Q (fièvre, frissons fatique, etc.) (v) la tularémie (elle peut survenir chez l'homme sous deux formes : ulcéroglandulaire et typhoïde). (vi) Encéphalite virale, (vii) Fièvres hémorragiques virales, (viii) Toxine botulique (paralysie des muscles squelettiques).

Pourquoi utilise-t-on des armes biologiques ? (i) Les armes biologiques sont des armes à faible coût, (ii) Elles font beaucoup plus de victimes que les armes chimiques ou conventionnelles. Une fois que les agents d'armes biologiques sont libérés, ils sont invisibles, inodores et insipides.

Protection contre les armes biologiques, (i) Utilisation d'un respirateur ou d'un masque à gaz, (ii) Abri protecteur, (iii) Décontamination, (iv) Vaccination, (v) Antibiotiques.

Questions de biosécurité:

Les mesures prises pour prévenir tout risque pour les plantes, les animaux et les microbes provenant d'organismes transgéniques sont appelées biosécurité. On craignait que les micro-organismes génétiquement modifiés (GEMS) ne perturbent l'écosystème et ses processus, dans lesquels ils pourraient être libérés. Ils peuvent se multiplier rapidement et supplanter les microbes indigènes.Ils peuvent également transférer des gènes liés à la virulence ou à la pathogenèse dans une population bactérienne et ainsi augmenter leur virulence. De même, les plantes génétiquement modifiées pourraient présenter un risque biologique et écologique.

Les discussions sur les dangers possibles du clonage de molécules d'ADN recombinant ont commencé au début des années 1970. Les principales préoccupations ont été examinées par un comité de la National Academy of Sciences (États-Unis) en 1974. Le National Institute of Health (NIH), États-Unis, a créé le Recombinant Advisory Committee (RAC) en 1974. En février 1975, une réunion internationale historique a été convoquée. à Asilomar, Californie.

Les premières directives du NIH ont été préparées en 1975, elles étaient plus strictes que les recommandations de la conférence Asilomar en 1981 la plupart des expériences de clonage dans E. coli, K-12, certaines souches de Bacillus subtilis et Saccharomyces cerevisiae ont été considérées comme exemptes d'autres exigences du NIH des lignes directrices. Une révision majeure des directives a été effectuée en 1982, les niveaux de confinement ont été abaissés et les expériences qui étaient auparavant interdites ont été modifiées et approuvées par le NIH.


Essai n°3. Avancement de la biotechnologie:

Cette branche de la biologie est utilisée par l'humanité depuis très longtemps. De nombreuses réalisations et avancées importantes ont été réalisées par de nombreux travailleurs éminents pour cette discipline.

Quelques-unes de ces contributions importantes de divers travailleurs dans le domaine de la biotechnologie sont répertoriées ci-dessous :

La biotechnologie en tant qu'activité multidisciplinaire :

La biotechnologie est de nature véritablement multidisciplinaire (ou interdisciplinaire) et englobe plusieurs disciplines des sciences fondamentales et de l'ingénierie. Les disciplines scientifiques dont s'inspire largement la biotechnologie sont la microbiologie, la chimie, la biochimie, la génétique, la biologie moléculaire, l'immunologie, la culture tissulaire et la physiologie.

Les progrès récents ont conduit à une applicabilité multidisciplinaire de la biotechnologie. Divers domaines dans lesquels cette discipline est très fréquemment utilisée à grande échelle sont : l'agriculture, l'industrie alimentaire et des boissons, l'environnement, les médicaments, l'énergie et les carburants, la technologie enzymatique, l'utilisation des déchets, la conservation de la biodiversité, etc. (Fig. 1).

La biotechnologie a un grand impact dans des domaines tels que l'environnement, la bioinformatique, la génomique, la protéomique et le projet du génome humain (HGP).


Table des matières

1 Unité 1. Les fondements de la biotechnologie

  • Chapitre 1. L'étude de la vie
  • Chapitre 2. Les éléments constitutifs de la vie
  • Chapitre 3. Qu'est-ce que la biotechnologie ?
  • Chapitre 4. Outils de biotechnicien : mesures et incertitude
  • Chapitre 5. Outils de biotechnicien : préparer des solutions
  • Chapitre 6. Outils de biotechnicien : équipement de laboratoire de base

2 Unité 2. Introduction à la bioproduction

  • Chapitre 7. Structure et fonction des cellules
  • Chapitre 8. Microbes
  • Chapitre 9. Techniques microbiennes
  • Chapitre 10. Croissance microbienne
  • Chapitre 11. Contrôle de la croissance microbienne

3 Unité 3. Biotechnologie moléculaire

  • Chapitre 12. Structure et fonction des acides nucléiques
  • Chapitre 13. Structure et fonction des protéines
  • Chapitre 14. Techniques de laboratoire : acides nucléiques et protéines
  • Chapitre 15. Virus, vaccins et système immunitaire
  • Chapitre 16. Immunochimie

Rôle de la biotechnologie dans le diagnostic moléculaire

Afin de traiter efficacement la maladie, il est important de diagnostiquer la maladie et de la comprendre à un stade précoce. Si nous passons par la méthode de diagnostic conventionnelle, nous ne sommes pas en mesure de diagnostiquer la maladie à un stade précoce. Mais avec l'aide de techniques biotechnologiques telles que la réaction en chaîne de la polymérase (PCR), la technologie de l'ADN recombinant et le dosage immuno-absorbant enzymatique (ELISA) sont quelques-unes des techniques qui aident au diagnostic précoce des maladies. L'ELISA est basé sur l'interaction antigène – anticorps.


Biotechnologie environnementale : signification, applications et autres détails

La biotechnologie environnementale en particulier est l'application de procédés pour la protection et la restauration de la qualité de l'environnement.

La biotechnologie environnementale peut être utilisée pour détecter, prévenir et remédier aux émissions de polluants dans l'environnement de plusieurs manières.

Les déchets solides, liquides et gazeux peuvent être modifiés, soit par recyclage pour fabriquer de nouveaux produits, soit par épuration afin que le produit final soit moins nocif pour l'environnement. Le remplacement des matériaux et procédés chimiques par des technologies biologiques peut réduire les dommages environnementaux.

De cette manière, la biotechnologie environnementale peut apporter une contribution significative au développement durable. La biotechnologie environnementale est l'un des domaines scientifiques les plus dynamiques et les plus utiles d'aujourd'hui. La recherche sur la génétique, la biochimie et la physiologie des micro-organismes exploitables est rapidement traduite en technologies disponibles dans le commerce pour inverser et prévenir une nouvelle détérioration de l'environnement terrestre.

Objectifs de la biotechnologie environnementale (selon l'Agenda 21):

L'objectif de la biotechnologie environnementale est de prévenir, arrêter et inverser la dégradation de l'environnement grâce à l'utilisation appropriée de la biotechnologie en combinaison avec d'autres technologies, tout en soutenant les procédures de sécurité en tant que composante principale du programme.

Les objectifs spécifiques sont :

1. Adopter des processus de production qui utilisent de manière optimale les ressources naturelles, en recyclant la biomasse, en récupérant l'énergie et en minimisant la production de déchets.

2. Promouvoir l'utilisation des techniques biotechnologiques en mettant l'accent sur la biorestauration des terres et de l'eau, le traitement des déchets, la conservation des sols, le reboisement, le boisement et la réhabilitation des terres.

3. Appliquer des procédés biotechnologiques et leurs produits pour protéger l'intégrité de l'environnement dans une perspective de sécurité écologique à long terme.

L'utilisation de la biotechnologie pour traiter les problèmes de pollution n'est pas une idée nouvelle. Les communautés dépendent de populations complexes de microbes naturels pour le traitement des eaux usées depuis plus d'un siècle. Chaque organisme vivant – animaux, plantes, bactéries, etc. – ingère des nutriments pour vivre et produit des déchets en tant que sous-produit. Différents organismes ont besoin de différents types de nutriments.

Certaines bactéries se développent sur les composants chimiques des déchets. Certains micro-organismes se nourrissent de matières toxiques pour les autres. La biotechnologie environnementale liée à la recherche est vitale pour développer des solutions efficaces pour atténuer, prévenir et inverser les dommages environnementaux à l'aide de ces formes vivantes. Les préoccupations croissantes concernant la santé publique et la détérioration de la qualité de l'environnement ont conduit au développement d'une gamme de nouveaux dispositifs d'analyse rapides pour la détection de composés dangereux dans l'air, l'eau et le sol. La technologie de l'ADN recombinant a offert des possibilités de prévention de la pollution et est prometteuse pour le développement ultérieur de la bioremédiation.

Applications de la biotechnologie environnementale:

La protection de l'environnement fait partie intégrante du développement durable. L'environnement est menacé chaque jour par les activités de l'homme. Avec l'augmentation continue de l'utilisation de produits chimiques, d'énergie et de ressources non renouvelables par une population mondiale en expansion, les problèmes environnementaux associés augmentent également. Malgré l'intensification des efforts visant à prévenir l'accumulation de déchets et à promouvoir le recyclage, la quantité de dommages environnementaux causés par la surconsommation, les quantités de déchets générés et le degré d'utilisation non durable des terres semblent susceptibles de continuer à augmenter.

Le remède peut être obtenu, dans une certaine mesure, par l'application de techniques de biotechnologie environnementale, qui utilisent des organismes vivants dans le traitement des déchets dangereux et le contrôle de la pollution. La biotechnologie environnementale comprend un large éventail d'applications telles que la bioremédiation, la prévention, la détection et la surveillance, le génie génétique pour le développement durable et une meilleure qualité de vie.

La biorestauration fait référence à l'utilisation productive de micro-organismes pour éliminer ou détoxifier les polluants, généralement en tant que contaminants des sols, de l'eau ou des sédiments qui, par ailleurs, intimident la santé humaine. Le biotraitement, la biorécupération et la biorestauration sont les autres terminologies de la bioremédiation. La bioremédiation n'est pas une pratique nouvelle. Les micro-organismes sont utilisés depuis de nombreuses années pour éliminer les matières organiques et les produits chimiques toxiques des déchets domestiques et industriels.

Cependant, la biotechnologie environnementale se concentre sur la bioremédiation pour lutter contre différentes pollutions. La grande majorité des applications de bioremédiation utilisent des micro-organismes naturels pour identifier et filtrer les déchets toxiques avant qu'ils ne soient introduits dans l'environnement ou pour nettoyer les problèmes de pollution existants.

Certains systèmes plus avancés utilisant des micro-organismes génétiquement modifiés sont testés dans le traitement des déchets et le contrôle de la pollution pour éliminer les matériaux difficiles à dégrader. La bioremédiation peut être réalisée in situ ou dans des réacteurs spécialisés (ex situ). La bioremédiation par les micro-organismes nécessite un environnement approprié pour le nettoyage du site pollué.

Ajout de nutriments, accepteurs terminaux d'électrons (O2/NON2), la température, l'humidité pour favoriser la croissance d'un organisme particulier peuvent être nécessaires pour l'activité microbienne dans le site pollué. Les opérations de bioremédiation peuvent être réalisées sur site ou hors site, in situ ou ex situ. La biorestauration a un vaste potentiel pour nettoyer l'eau et les sols contaminés par une variété de polluants dangereux, de déchets ménagers, de déchets radioactifs, etc.

Les procédures de nettoyage biologique utilisent le fait que la plupart des produits chimiques organiques sont soumis à l'attaque enzymatique des organismes vivants. L'approche la plus courante est l'utilisation d'enzymes comme catalyseurs chimiques de substitution. Une réduction significative ou une élimination complète des produits chimiques agressifs peut être obtenue, comme cela est observé dans l'industrie du cuir, du textile et des pâtes et papiers.

Seuls 1 à 2 g d'hémicellulose se substituent à 10 à 15 kg de chlore pour traiter 1 tonne de pâte, réduisant ainsi significativement les effluents organiques chlorés. La protection et l'assainissement de l'environnement combinent actuellement des méthodes biotechnologiques, chimiques, physiques et techniques.

L'importance relative de la biotechnologie augmente à mesure que les connaissances et les méthodes scientifiques s'améliorent. Ses besoins moindres en énergie et en produits chimiques, combinés à une production moindre de déchets mineurs, en font une alternative de plus en plus souhaitable aux méthodes chimiques et physiques plus traditionnelles de dépollution. Les applications de la bioremédiation pour le maintien de l'environnement sont multiples. Dans ce chapitre, quelques-uns sont traités comme le traitement des eaux usées et des effluents industriels, le traitement des sols et des terres, la gestion de l'air et des gaz résiduaires.

Eaux usées et effluents industriels :

La pollution de l'eau est un problème grave dans de nombreux pays du monde. L'industrialisation et l'urbanisation rapides ont généré de grandes quantités d'eaux usées qui ont entraîné une détérioration des ressources en eau de surface et des réserves d'eau souterraine. Des polluants biologiques, organiques et inorganiques contaminent les plans d'eau.

Dans de nombreux cas, ces sources sont devenues dangereuses pour la consommation humaine ainsi que pour d'autres activités telles que l'irrigation et les besoins industriels. Cela illustre que la qualité dégradée de l'eau peut, en effet, contribuer à la rareté de l'eau car elle limite sa disponibilité à la fois pour l'utilisation humaine et pour l'écosystème. Le traitement des eaux usées avant leur élimination est une préoccupation urgente dans le monde entier.

Dans les stations d'épuration, des micro-organismes sont utilisés pour éliminer les polluants les plus courants des eaux usées avant qu'elles ne soient rejetées dans les rivières ou la mer. L'augmentation de la pollution industrielle et agricole a conduit à un besoin accru de procédés qui éliminent des polluants spécifiques tels que les composés azotés et phosphorés, les métaux lourds et les composés chlorés.

Les méthodes comprennent des procédés aérobies, anaérobies et physico-chimiques dans des filtres à lit fixe et dans des bioréacteurs dans lesquels les matériaux et les microbes sont maintenus en suspension. Si elles ne sont pas traitées, les eaux usées et autres eaux usées subiraient une auto-épuration, mais le processus nécessite de longues périodes d'exposition. Pour accélérer ce processus, des mesures de bioremédiation sont utilisées.

Cependant, cinq étapes clés sont reconnues dans le traitement des eaux usées :

a) Traitement préliminaire – les gravillons, les métaux lourds et les débris flottants sont éliminés.

b) Traitement primaire – les matières en suspension sont supprimées.

c) Le traitement secondaire – bio-oxyde les matières organiques par les activités des micro-organismes aérobies et anaérobies.

d) Traitement tertiaire – des polluants spécifiques sont éliminés (ammoniac et phosphate).

e) Traitement des boues – les solides sont éliminés (étape finale).

Traitement biologique aérobie :

Les filtres ruisselants, contacteurs biologiques rotatifs ou lits de contact, sont généralement constitués d'un matériau inerte (roches/cendres/bois/métal) sur lequel les micro-organismes se développent sous la forme d'un biofilm complexe. Ceux-ci sont utilisés depuis plus de 70 ans pour le traitement des eaux usées et des eaux usées. Dans ces processus, la matière organique dégradable est oxydée par les micro-organismes en CO2 qui peut être évacué dans l'atmosphère.

Processus de boues activées :

Ce processus est utilisé pour le traitement et l'élimination des déchets dissous et biodégradables, tels que les produits chimiques organiques, les déchets de raffinage du pétrole, les déchets textiles et les eaux usées municipales. Les micro-organismes dans les boues activées sont généralement composés de 70 à 90 % de matières organiques et de 10 à 30 % de matières inorganiques.

Les micro-organismes présents dans ces boues sont généralement des bactéries, des champignons, des protozoaires et des rotifères. Les hydrocarbures pétroliers sont dégradés par des espèces de bactéries (Acinetobacter, Mycobacteria, Pseudomonas etc.), levures, Cladosporium et Scolecobasidium. Les pesticides (aldrine, dieldrine, parathion, malathion) sont détoxifiés par le champignon Xylaria xylestrix. Pseudomonas (un micro-organisme prédominant du sol) peut détoxifier les composés organiques comme les hydrocarbures, les phénols, les organophosphates, les polychlorobiphényles et les aromatiques polycycliques.

Garbisu et al. (2003). Blanco et al. (2003) ont montré la biosorption de métaux lourds par le Phormidium laminosum immobilisé dans des matrices polymériques microporeuses. Les photo-bioréacteurs sont actuellement utilisés pour cultiver des algues et des cyanobactéries dans des conditions environnementales étroitement contrôlées, en vue de fabriquer des produits à haute valeur ajoutée (tels que le bêta-carotène et l'acide gamma-linoléique), de concevoir des procédés de traitement des effluents efficaces et de fournir de nouvelles sources d'énergie. .

Les coûts du traitement des eaux usées peuvent être réduits par la conversion des déchets en produits utiles. Les bactéries métabolisant le soufre peuvent éliminer les métaux lourds et les composés soufrés des flux de déchets de l'industrie de la galvanisation et les réutiliser. La plupart des systèmes de traitement anaérobie des eaux usées produisent du biogaz utile.

Dans certains cas, les sous-produits des micro-organismes antipollution sont eux-mêmes utiles. Le méthane, par exemple, peut être dérivé d'une forme de bactérie qui dégrade la liqueur de soufre, un déchet de la fabrication du papier.

Traitement des sols et des terres :

À mesure que la population humaine augmente, sa demande de nourriture provenant des cultures augmente, ce qui rend la conservation des sols cruciale. La déforestation, le sur-développement et la pollution par les produits chimiques fabriqués par l'homme ne sont que quelques-unes des conséquences de l'activité humaine et de la négligence. Les quantités croissantes d'engrais et d'autres produits chimiques agricoles appliqués aux sols et les pratiques d'élimination des déchets industriels et domestiques, ont conduit à la préoccupation croissante de la pollution des sols. La pollution du sol est causée par des composés toxiques persistants, des produits chimiques, des sels, des matières radioactives ou des agents pathogènes, qui ont des effets néfastes sur la croissance des plantes et la santé animale.

De nombreuses espèces de champignons peuvent être utilisées pour la biorestauration des sols. Lipomyces sp. peut dégrader l'herbicide paraquat. Rhodotorula sp. peut convertir le benzaldéhyde en alcool benzylique. Candida sp. dégrade le formaldéhyde dans le sol. Aspergillus niger et Chaetomium cupreum sont utilisés pour dégrader les tanins (présents dans les effluents des tanneries) dans le sol, contribuant ainsi à la croissance des plantes.

Phanerochaete chrysosporium a été utilisé dans la bioremédiation des sols pollués par différents composés chimiques, généralement récalcitrants et considérés comme des polluants environnementaux. Une diminution du PCP (Pentachlorophénol) entre 88 et 91 % en six semaines a été observée en présence de Phanerochaete chrysosporium.

La biorestauration des sols contaminés a été utilisée comme une méthode sûre, fiable, rentable et respectueuse de l'environnement pour la dégradation de divers polluants. Ceci peut être effectué de plusieurs manières, soit in situ, soit en enlevant mécaniquement le sol pour un traitement ailleurs.

Les traitements in situ comprennent l'ajout de solutions nutritives, l'introduction de micro-organismes et la ventilation. Le traitement ex situ consiste à excaver le sol et à le traiter au-dessus du sol, soit comme compost, dans des banques de sol, ou dans des bioréacteurs spécialisés à lisier. La biorestauration des terres est souvent moins chère que les méthodes physiques et ses produits sont en grande partie inoffensifs.

Pendant le traitement biologique, les micro-organismes du sol convertissent les polluants organiques en CO2, eau et biomasse. La dégradation peut avoir lieu aussi bien dans des conditions aérobies que dans des conditions anaérobies. La biorestauration des sols peut également être réalisée à l'aide de bioréacteurs. La dégradation peut avoir lieu aussi bien dans des conditions aérobies que dans des conditions anaérobies. La biorestauration des sols peut également être réalisée à l'aide de bioréacteurs. Les liquides, les vapeurs ou les solides en suspension sont traités dans un réacteur. Les microbes peuvent être d'origine naturelle, cultivés ou même génétiquement modifiés.

Les recherches dans le domaine des biotechnologies environnementales ont permis de traiter des sols contaminés par des huiles minérales. Les technologies en phase solide sont utilisées pour les sols contaminés par le pétrole qui sont excavés, placés dans un système de confinement à travers lequel l'eau et les nutriments s'infiltrent. La dégradation biologique des huiles s'est avérée commercialement viable à la fois à grande et à petite échelle, in situ et ex situ.

La biorestauration des sols in situ implique la stimulation des populations microbiennes indigènes (par exemple en ajoutant des nutriments ou en aérant). Dans ce processus, les conditions environnementales pour la dégradation biologique des polluants organiques sont optimisées autant que possible. L'oxygène doit être fourni par aération artificielle ou en ajoutant des accepteurs d'électrons tels que des nitrates ou des composés libérant de l'oxygène. L'ozone dissous dans l'eau et H2O2 sont parfois utilisés qui dégradent les contaminants organiques.

Avec l'avènement de la civilisation humaine, l'air est l'un des premiers et des plus pollués des composants de l'atmosphère. La majeure partie de la pollution atmosphérique provient d'une seule activité humaine : la combustion de combustibles fossiles (gaz naturel, charbon et pétrole) pour alimenter les processus industriels et les véhicules à moteur. Lorsque les carburants ne sont pas complètement brûlés, divers produits chimiques appelés produits chimiques organiques volatils (COV) pénètrent également dans l'air. Les polluants proviennent également d'autres sources.

Par exemple, la décomposition des ordures dans les décharges et les sites d'élimination des déchets solides émet du méthane et de nombreux produits ménagers dégagent des COV. L'expansion des activités industrielles a ajouté plus de contaminants dans l'air.

Le concept de traitement biologique de l'air a d'abord semblé impossible. Avec le développement de la technologie de purification biologique des gaz résiduaires à l'aide de bioréacteurs, qui comprennent des filtres biologiques, des filtres à ruissellement biologiques, des épurateurs biologiques et des bioréacteurs à membrane, ce problème est résolu. Le mode de fonctionnement de tous ces réacteurs est similaire.

L'air contenant des composés volatils traverse les bioréacteurs, où les composés volatils sont transférés de la phase gazeuse à la phase liquide.La communauté microbienne (mélange de différentes bactéries, champignons et protozoaires) se développe dans cette phase liquide et élimine les composés acquis de l'air.

Dans les biofiltres, l'air passe à travers un lit rempli de matières organiques qui fournissent les nutriments nécessaires à la croissance des micro-organismes. Ce milieu est maintenu humide en maintenant l'humidité de l'air entrant. Le traitement biologique des effluents gazeux est généralement basé sur l'absorption des COV des gaz résiduaires dans la phase aqueuse suivie d'une oxydation directe par une large gamme de bactéries voraces, dont Nocardia sp. et Xanthomonas sp.

Le développement durable et la qualité de vie dépendent de l'utilisation rationnelle et respectueuse de l'environnement des ressources naturelles avec la croissance économique. Pour se conformer à cette tendance, le développement industriel doit passer d'un style durable à un style dégradant et, à cette fin, des technologies plus propres doivent être adoptées.

Selon le Programme des Nations Unies pour l'environnement (1996), « l'application continue d'une stratégie environnementale préventive intégrée aux processus, produits et services pour augmenter l'éco-efficacité et réduire les risques pour les humains et l'environnement » définit le concept respectueux de l'environnement. L'application du concept de prévention et de propreté ne peut être réalisée que par les politiques 5R (Olguin et al, 2003).

Cinq mots à la mode environnementaux sont les 5R pour une utilisation efficace de l'énergie et un meilleur contrôle des déchets, qui pourraient contribuer au développement durable et à une vie de qualité :

1. Réduire (Réduction des déchets)

2. Réutilisation (utilisation efficace de l'eau, de l'énergie)

3. Recycler (Recyclage des déchets)

4. Remplacer (Remplacement des matières premières toxiques/dangereuses pour des intrants plus respectueux de l'environnement)

5. Récupérer (fractions utiles non toxiques des déchets)

L'innovation et l'adoption de technologies propres sont la cible de la recherche et du développement dans le monde entier. Les entreprises industrielles développent des procédés à impact environnemental réduit répondant à l'appel international pour le développement d'une société durable. Il existe une tendance omniprésente vers des produits et des processus moins nocifs, loin du traitement en fin de chaîne des flux de déchets. La biotechnologie environnementale, avec ses technologies appropriées, est apte à contribuer à cette tendance.

Les enzymes sont largement utilisées dans les industries depuis de nombreuses années. Les enzymes, non toxiques et biodégradables, sont des catalyseurs biologiques très compétents et présentent de nombreux avantages par rapport aux catalyseurs non biologiques. L'utilisation d'enzymes par l'homme, à la fois directement et indirectement, existe depuis des milliers d'années.

Ces dernières années, les enzymes ont joué un rôle important dans la production de médicaments, de produits chimiques fins, d'acides aminés, d'antibiotiques et de stéroïdes. Les processus industriels peuvent être rendus respectueux de l'environnement grâce à l'utilisation d'enzymes. L'application d'enzymes dans les industries du textile, du cuir, de l'alimentation, des pâtes et papiers contribue à une réduction significative ou à l'élimination complète des produits chimiques graves et est également plus économique en termes de consommation d'énergie et de ressources.

Les méthodes biotechnologiques peuvent produire des matériaux alimentaires avec une valeur nutritionnelle améliorée, des caractéristiques fonctionnelles et une stabilité de conservation. Les cellules végétales cultivées dans des fermenteurs peuvent produire des arômes tels que la vanille, réduisant ainsi le besoin d'extraire les composés des gousses de vanille. La transformation des aliments a bénéficié de la chymosine produite biotechnologiquement qui est utilisée dans la fabrication du fromage alpha-amylase, qui est utilisée dans la production de sirop de maïs à haute teneur en fructose et de bière sèche et de lactase, qui est ajoutée au lait pour réduire la teneur en lactose pour les personnes souffrant d'intolérance au lactose .

Les enzymes génétiquement modifiées sont plus faciles à produire que les enzymes isolées à partir de sources originales et sont préférées aux substances synthétisées chimiquement car elles ne créent pas de sous-produits ou de mauvais goûts dans les aliments.

Détection et surveillance environnementales :

Un large éventail de méthodes biologiques est utilisé pour détecter la pollution et pour la surveillance continue des polluants. Les techniques de la biotechnologie disposent de nouvelles méthodes pour diagnostiquer les problèmes environnementaux et évaluer les conditions environnementales normales afin que les êtres humains puissent être mieux informés de l'environnement. Les applications de ces méthodes sont moins chères, plus rapides et également portables.

Plutôt que de collecter des échantillons de sol et de les envoyer à un laboratoire pour analyse, les scientifiques peuvent mesurer le niveau de contamination sur place et connaître les résultats immédiatement. Des méthodes de détection biologique utilisant des biocapteurs et des immunoessais ont été développées et sont maintenant sur le marché. Les microbes sont utilisés dans les biocapteurs de contamination des métaux ou des polluants. Saccharomyces cerevisiae (levure) est utilisé pour détecter le cyanure dans l'eau des rivières tandis que Selenastrum capricornatum (algue verte) est utilisé pour la détection des métaux lourds. Les immunoessais utilisent des anticorps marqués (protéines complexes produites en réponse biologique à des agents spécifiques) et des enzymes pour mesurer les niveaux de polluants. Si un polluant est présent, l'anticorps s'y fixe en le rendant détectable soit par changement de couleur, fluorescence ou radioactivité.

Un biocapteur est un dispositif analytique qui convertit une réponse biologique en un signal physique, chimique ou électrique. Le développement de biocapteurs implique l'intégration d'éléments de détection d'origine biologique spécifiques et sensibles (cellules immobilisées, enzymes ou anticorps) sont intégrés à des transducteurs physico-chimiques (soit électrochimiques ou optiques). Immobilisées sur un substrat, leurs propriétés changent en réponse à un effet environnemental d'une manière qui est détectable électroniquement ou optiquement.

Il est alors possible de faire des mesures quantitatives de polluants avec une extrême précision ou à des sensibilités très élevées. La réponse biologique du biocapteur est déterminée par la membrane biocatalytique, qui accomplit la conversion du réactif en produit. Les enzymes immobilisées possèdent un certain nombre de caractéristiques avantageuses qui les rendent particulièrement applicables pour une utilisation dans de tels systèmes.

Ils peuvent être réutilisés, ce qui garantit que la même activité catalytique est présente pour une série d'analyses. Les biocapteurs sont des outils puissants, qui reposent sur des réactions biochimiques pour détecter des substances spécifiques, qui ont apporté des avantages à un large éventail de secteurs, notamment les industries de la fabrication, de l'ingénierie, de la chimie, de l'eau, de l'alimentation et des boissons. Ils sont capables de détecter même de petites quantités de leurs produits chimiques cibles particuliers, rapidement, facilement et avec précision.

Pour ce caractère de biocapteurs, ils ont été ardemment adoptés pour une variété d'applications de surveillance de processus, principalement en ce qui concerne l'évaluation et le contrôle de la pollution. Des biocapteurs pour la détection des glucides, des acides organiques, des glucosinolates, des hydrocarbures aromatiques, des pesticides, des bactéries pathogènes et autres ont déjà été développés.

Les biocapteurs peuvent être conçus pour être très sélectifs ou sensibles à une large gamme de composés. Par exemple, une large gamme d'herbicides peut être détectée dans l'eau des rivières à l'aide de biocapteurs à base d'algues, les stress infligés aux organismes étant mesurés en tant que modifications des propriétés optiques de la chlorophylle de la plante. Les biocapteurs sont de différents types tels que les biocapteurs calorimétriques, les immunocapteurs, les biocapteurs optiques, les biocapteurs DBO, les biocapteurs à gaz.

La capacité remarquable des microbes à décomposer les produits chimiques s'avère utile, non seulement dans la dépollution, mais aussi dans la détection des polluants. Un groupe de scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos travaille avec des bactéries qui dégradent une classe de produits chimiques organiques appelés phénols. Lorsque les bactéries ingèrent des composés phénoliques, les phénols se fixent à un récepteur.

Le complexe phénol-récepteur se lie alors à l'ADN, activant les gènes impliqués dans la dégradation du phénol. Les scientifiques de Los Alamos ont ajouté un gène rapporteur qui, lorsqu'il est déclenché par un complexe phénol-récepteur, produit une protéine facilement détectable, indiquant ainsi la présence de composés phénoliques dans l'environnement. Les biocapteurs employant l'acétylcholine estérase peuvent être utilisés pour la détection de composés organophosphorés dans l'eau.

La biotechnologie, qui devrait apporter une grande contribution au bien-être de l'humanité, est une technologie importante qui devrait être constamment développée. L'application de la technologie de l'ADN, parmi les différents types de biotechnologie, a la possibilité de créer de nouvelles combinaisons de gènes qui n'existaient pas auparavant dans la nature.

Depuis ses débuts, le génie génétique prétend être capable de construire des micro-organismes sur mesure avec des capacités de dégradation améliorées pour les substances toxiques. Avec le développement des GEM (micro-organismes génétiquement modifiés) et leur utilisation possible dans le traitement des sols et de l'eau contaminés, la stabilité des plasmides est extrêmement souhaitable. Les plasmides sont des brins circulaires d'ADN qui se répliquent en tant qu'entités distinctes indépendantes du chromosome hôte. La taille des plasmides peut aller de ceux qui ne portent que quelques gènes à ceux qui en portent un nombre beaucoup plus important. De petits plasmides peuvent être présents sous forme de copies multiples. L'échange d'informations génétiques via des plasmides est réalisé par le processus de conjugaison.

L'utilisation d'enzymes de restriction a permis l'isolement de fragments d'ADN particuliers qui peuvent être transférés à un autre organisme qui en manque. Les gènes qui codent pour le métabolisme des polluants environnementaux tels que les PCB et d'autres composés xénobiotiques sont fréquemment, mais pas toujours, situés sur des plasmides.

La possibilité de transfert génétique dans des microbes non biodégradants a ouvert de nouvelles perspectives de biotraitement des déchets. L'ADN recombinant a la capacité de se multiplier et peut également conférer la capacité dérivée spécifique de détoxifier les contaminants environnementaux.

Le transfert de gènes parmi les communautés microbiennes a amélioré la capacité dérivée in vitro. Le premier brevet pour un organisme génétiquement modifié (OGM) ou GEM, déposé aux États-Unis par le professeur A. M. Chakrabarty était pour une bactérie Pseudomonas putida avec des capacités de dégradation des hydrocarbures. Des rapports ultérieurs ont noté le rôle des plasmides dans la dégradation des alcanes, du naphtalène, du toluène, des m- et p-xylènes.

Compte tenu de la diversité écrasante des espèces, des biomolécules et des voies métaboliques sur cette planète, le génie génétique peut, en principe, être un outil très puissant pour créer des alternatives plus respectueuses de l'environnement pour les produits et les processus qui polluent actuellement l'environnement ou épuisent ses ressources non renouvelables.

De nos jours, les organismes peuvent être complétés par des propriétés génétiques supplémentaires pour la biodégradation de polluants spécifiques si les organismes naturels ne sont pas capables de faire ce travail correctement ou pas assez rapidement. En combinant différentes capacités métaboliques dans le même micro-organisme, le blocage dans le nettoyage de l'environnement peut être contourné.

Aux États-Unis, certaines bactéries génétiquement modifiées ont été approuvées à des fins de bioremédiation, mais des applications à grande échelle n'ont pas encore été signalées. En Europe, seuls les essais contrôlés sur le terrain ont été autorisés. Tout comme la lumière, la chaleur et l'humidité peuvent dégrader de nombreux matériaux, la biotechnologie repose sur des bactéries vivantes naturelles pour remplir une fonction similaire, mais l'action est plus rapide.

Certaines bactéries se nourrissent naturellement de produits chimiques et d'autres déchets, y compris certaines matières dangereuses. Ils consomment ces matériaux, les digèrent et excrètent des substances inoffensives à leur place. La biorestauration utilise des micro-organismes naturels et recombinants pour décomposer les substances toxiques et dangereuses déjà présentes dans l'environnement. Le biotraitement peut être utilisé pour détoxifier les flux de déchets à la source avant qu'ils ne contaminent l'environnement, plutôt qu'au point d'élimination. Cette approche implique une sélection minutieuse d'organismes, appelés biocatalyseurs, qui sont des enzymes qui dégradent des composés spécifiques et accélèrent le processus de dégradation.

Cependant, l'application d'OGM/GEM dans l'environnement pour la bioremédiation peut créer des problèmes dans l'écosystème. Ces organismes exclusivement conçus n'ont pas la chance de faire l'expérience des diverses conditions environnementales fluctuantes auxquelles sont confrontés les organismes naturels au cours des processus évolutifs s'étalant sur des millions d'années.

En conséquence, ces derniers sont bien adaptés aux conditions environnementales changeantes telles que les changements de température, de substrat ou de concentrations de déchets. Mais lorsqu'ils sont exposés au site contaminé, les OGM présentent une viabilité plus élevée que les bactéries naturelles, en raison de leur équipement enzymatique sur mesure.

On s'inquiète de l'effet négatif de ces OGM sur les écosystèmes microbiens complexes et délicats par compétition ou échange de matériel génétique dans les sols auxquels ils sont appliqués. Encore plus inquiétant est leur effet potentiel en dehors de la zone de traitement. Si les souches recombinantes peuvent sembler inoffensives en laboratoire, il est pratiquement impossible d'évaluer leur impact sur le terrain.

Des méthodes biotechniques sont maintenant utilisées pour produire de nombreuses protéines à des fins pharmaceutiques et à d'autres fins spécialisées. L'insuline humaine, le premier produit génétiquement modifié à être produit commercialement (1982) est fabriquée par une souche non virulente de la bactérie Escherichia coli, par introduction d'une copie du gène de l'insuline humaine.

Lorsque le gène est « amplifié » les cellules bactériennes produisent de grandes quantités d'insuline humaine qui sont purifiées et utilisées pour traiter le diabète chez les êtres humains. Un certain nombre d'autres produits génétiquement modifiés ont été approuvés depuis lors, notamment l'hormone de croissance humaine, l'interféron alpha, l'érythropoïétine recombinante et l'activateur tissulaire du plasminogène.

Les techniques biotechnologiques sont appliquées aux plantes pour produire des matières végétales avec une composition et des caractéristiques fonctionnelles améliorées. Parmi les premiers produits alimentaires entiers disponibles dans le commerce figurait la tomate à maturation lente, le gène de la polygalacturonase, l'enzyme responsable du ramollissement, est désactivé dans cette tomate. Des plantes résistantes aux maladies, aux ravageurs, aux conditions environnementales ou à certains herbicides ou pesticides sont également en cours de développement.

En 1995, l'Environmental Protection Agency (EPA) a autorisé le développement de semences de maïs transgéniques, de semences de coton et de pommes de terre de semence qui contiennent le matériel génétique nécessaire pour résister à certains insectes. L'avantage de tels produits est qu'ils permettent l'utilisation d'herbicides et de pesticides moins toxiques et plus respectueux de l'environnement.

La première application approuvée de la biotechnologie à la production animale a été l'utilisation de la somatotrophine bovine recombinante (BST) chez les vaches laitières. La somatotrophine bovine, une hormone protéique présente naturellement chez les vaches, est nécessaire à la production de lait. Lorsque la BST recombinante est administrée à des vaches laitières dans des conditions de gestion idéales, il a été démontré que la production de lait augmente de 10 à 25 %.

D'autres utilisations de la biotechnologie dans la production animale comprennent le développement de vaccins pour protéger les animaux contre les maladies, la production de plusieurs veaux à partir d'un embryon (clonage), l'insémination artificielle, l'amélioration du taux de croissance et/ou de l'efficacité alimentaire et la détection rapide des maladies.

Les bio-pesticides naturels sont un autre développement de la biotechnologie qui aide les agriculteurs à réduire l'utilisation de produits chimiques. Ils se dégradent rapidement, ne laissent aucun résidu et ne sont toxiques que pour les insectes cibles. Bacillus thuringiensis (B.t.), produit une protéine naturellement toxique pour certains insectes. Les scientifiques ont extrait le B.t. gène qui exprime l'insecticide et l'a inséré dans des bactéries communes qui peuvent être cultivées en grande quantité par les mêmes techniques de fermentation que celles utilisées pour produire des produits de tous les jours comme la bière et les antibiotiques. Répandues sur le coton et d'autres cultures, ces bactéries inoffensives contrôlent naturellement les insectes.

De plus, un large éventail de plantes cultivées ont été génétiquement modifiées pour exprimer les gènes cry (trouvés dans B. t.) dans leurs tissus, de sorte que les insectes sont tués lorsqu'ils se nourrissent de ces cultures. Le contrôle de la pollution par génie génétique est susceptible de fonctionner mieux lorsque les polluants sont un mélange connu de composés organiques relativement concentrés qui sont liés les uns aux autres dans la structure, lorsque les nutriments organiques alternatifs conventionnels sont absents et lorsqu'il n'y a pas de concurrence des micro-organismes indigènes.

La polyvalence métabolique spectaculaire des bactéries et des champignons est exploitée dans le domaine de la biorestauration environnementale comme dans le traitement des eaux usées et des eaux usées, la dégradation des xénobiotiques et la réduction des métaux. La manipulation génétique offre un moyen de concevoir des micro-organismes pour traiter un polluant, ou une famille de polluants étroitement liés, qui peuvent être présents dans le flux de déchets d'un processus industriel.

L'approche la plus simple consiste à étendre les capacités de dégradation des voies métaboliques existantes au sein d'un organisme soit en introduisant des enzymes supplémentaires provenant d'autres organismes, soit en modifiant la spécificité ou les mécanismes catalytiques des enzymes déjà présentes.

Une usine de traitement de la mine Homestake à Lead, dans le Dakota du Sud, purifie 4 millions de gallons d'eaux usées contenant du cyanure par jour en convertissant complètement le cyanure en nitrate. Pseudomonas sp. convertir le cyanure et le thiocyanate en ammoniac et bicarbonate et les bactéries nitrifiantes Nitrosomonas et Nitrobacter coopèrent pour convertir l'ammoniac en nitrate. La technologie de l'ADN recombinant a eu une répercussion étonnante ces dernières années dans la protection de l'environnement et aussi dans d'autres domaines pour une meilleure qualité de vie.

Différents domaines de la biotechnologie environnementale :

Biotechnologie environnementale et métagénomique:

La biotechnologie environnementale est divisée dans différents domaines :

(i) Études directes de l'environnement,

(ii) Recherche axée sur les applications à l'environnement et

(iii) Recherche qui applique les informations de l'environnement à d'autres lieux.

Ici, un bref compte rendu d'un aspect particulier de l'analyse directe de l'environnement est donné.

En plus de l'ADN à l'intérieur des organismes vivants, il y a beaucoup d'ADN libre dans l'environnement qui pourrait également être une source de nouveaux gènes. Le domaine de la biotechnologie environnementale a révolutionné l'étude des formes de vie qui n'avaient pas été étudiées auparavant et de l'ADN.

Cette approche consiste en des analyses directes de l'environnement et des processus biochimiques naturels qui sont présents. Une étude importante dans cet aspect est la métagénomique. La métagénomique est l'étude des génomes de communautés entières de formes de vie microscopiques et traite d'un mélange d'ADN provenant de plusieurs organismes, virus, viroïdes, plasmides et ADN libre.

En d'autres termes, la métagénomique, l'analyse génomique d'une population de micro-organismes, est la méthode pour accéder à la physiologie et à la génétique des organismes non cultivés.

À l'aide de la métagénomique, les chercheurs étudient, cataloguent la diversité microbienne actuelle. De nouvelles protéines, enzymes et voies biochimiques sont identifiées. Les connaissances acquises grâce à la métagénomique ont le potentiel d'affecter les façons dont nous utilisons l'environnement. Les analyses métagénomiques impliquent l'isolement de l'ADN à partir d'un échantillon environnemental, le clonage de l'ADN dans un vecteur approprié, la transformation des clones en une bactérie hôte et le criblage des transformants résultants.

Les clones peuvent être criblés pour des marqueurs phylogénétiques tels que l'ARNr 16S et rec A ou pour d'autres gènes conservés par hybridation ou PCR multiplex ou pour l'expression de traits spécifiques tels que l'activité enzymatique ou la production d'antibiotiques ou ils peuvent être séquencés de manière aléatoire.

Une méthode très importante pour l'étude métagénomique est le sondage des isotopes stables (SIP).Un échantillon environnemental d'eau ou de sol est d'abord mélangé avec un précurseur tel que le méthanol, le phénol, le carbonate ou l'ammoniac qui a été marqué avec un isotope stable tel que 15 N, 13 C ou 18 O. Si les organismes de l'échantillon métabolisent le précurseur substrat, l'isotope stable est incorporé dans leur génome.

Lorsque l'ADN de l'échantillon est isolé et séparé par centrifugation, les génomes qui ont incorporé le substrat marqué seront plus lourds et pourront être séparés de l'autre ADN de l'échantillon. L'ADN plus lourd migrera plus loin dans un gradient de chlorure de césium pendant la centrifugation. L'ADN peut être utilisé directement ou cloné dans des vecteurs pour constituer une banque métagénomique. Cette technique est utile pour trouver de nouveaux organismes qui peuvent dégrader des contaminants tels que le phénol.

Les micro-organismes sont des participants cruciaux dans le nettoyage d'une grande variété de substances/produits chimiques dangereux en les transformant en formes inoffensives pour les personnes et l'environnement. Un exemple très important est donné ici. De l'essence s'échappe dans le sol de toutes les stations-service aux États-Unis.

Il est fort possible que l'essence se mélange à l'eau souterraine qui est la principale source d'eau potable. Cependant, les membres dormants de la communauté microbienne du sol sont déclenchés pour devenir actifs et dégrader les produits chimiques nocifs contenus dans l'essence.

Étant donné que l'essence est composée de centaines de produits chimiques, il faut une variété de microbes qui travaillent ensemble pour les dégrader tous. Lorsque certaines bactéries provoquent un appauvrissement en O2 dans les eaux souterraines près d'un déversement d'essence, d'autres types de bactéries qui peuvent utiliser les nitrates pour produire de l'énergie commencent à biodégrader l'essence. Les bactéries qui utilisent le fer, le manganèse et le sulfate suivent.

Toutes ces communautés microbiennes travaillent ensemble dans un schéma pour transformer l'essence qui fuit en CO2 et de l'eau. L'analyse métagénomique peut nous aider à identifier le membre particulier de la communauté et la fonction nécessaire pour réaliser la transformation chimique complète qui gardera notre planète vivable.


Biotechnologie médicinale

Il est facile de voir comment la biotechnologie peut être utilisée à des fins médicinales. La connaissance de la constitution génétique de notre espèce, la base génétique des maladies héréditaires et l'invention de la technologie pour manipuler et réparer les gènes mutants fournissent des méthodes pour traiter la maladie.

Diagnostic génétique et thérapie génique

Figure 1. La thérapie génique utilisant un vecteur adénoviral peut être utilisée pour guérir certaines maladies génétiques dans lesquelles une personne a un gène défectueux. (crédit : NIH)

Le processus de dépistage des défauts génétiques suspectés avant d'administrer le traitement est appelé diagnostic génétique par test génétique. Selon les schémas héréditaires d'un gène responsable de la maladie, il est conseillé aux membres de la famille de subir des tests génétiques. Par exemple, il est généralement conseillé aux femmes diagnostiquées avec un cancer du sein de subir une biopsie afin que l'équipe médicale puisse déterminer la base génétique du développement du cancer. Les plans de traitement sont basés sur les résultats des tests génétiques qui déterminent le type de cancer. Si le cancer est causé par des mutations génétiques héréditaires, il est également conseillé à d'autres femmes apparentées de subir des tests génétiques et un dépistage périodique du cancer du sein. Des tests génétiques sont également proposés pour les fœtus (ou les embryons avec in vitro fécondation) pour déterminer la présence ou l'absence de gènes pathogènes dans les familles atteintes de maladies débilitantes spécifiques.

Thérapie génique est une technique de génie génétique utilisée pour guérir la maladie. Dans sa forme la plus simple, cela implique l'introduction d'un bon gène à un emplacement aléatoire dans le génome pour aider à la guérison d'une maladie causée par un gène muté. Le bon gène est généralement introduit dans les cellules malades dans le cadre d'un vecteur transmis par un virus qui peut infecter la cellule hôte et délivrer l'ADN étranger (Figure 1). Des formes plus avancées de thérapie génique tentent de corriger la mutation au site d'origine dans le génome, comme c'est le cas avec le traitement de l'immunodéficience combinée sévère (SCID).

Production de vaccins, d'antibiotiques et d'hormones

Les stratégies de vaccination traditionnelles utilisent des formes affaiblies ou inactives de micro-organismes pour déclencher la réponse immunitaire initiale. Les techniques modernes utilisent les gènes de micro-organismes clonés dans des vecteurs pour produire en masse l'antigène souhaité. L'antigène est ensuite introduit dans le corps pour stimuler la réponse immunitaire primaire et déclencher la mémoire immunitaire. Des gènes clonés à partir du virus de la grippe ont été utilisés pour lutter contre les souches en constante évolution de ce virus.

Les antibiotiques sont un produit biotechnologique. Ils sont naturellement produits par des micro-organismes, tels que des champignons, pour obtenir un avantage sur les populations bactériennes. Les antibiotiques sont produits à grande échelle en cultivant et en manipulant des cellules fongiques.

La technologie de l'ADN recombinant a été utilisée pour produire de grandes quantités d'insuline humaine dans E. coli dès 1978. Auparavant, il n'était possible de traiter le diabète qu'avec de l'insuline de porc, qui provoquait des réactions allergiques chez l'homme en raison de différences dans le produit génique. De plus, l'hormone de croissance humaine (HGH) est utilisée pour traiter les troubles de la croissance chez les enfants. Le gène HGH a été cloné à partir d'une banque d'ADNc et inséré dans E. coli cellules en le clonant dans un vecteur bactérien.

En résumé : la biotechnologie médicinale

Les organismes transgéniques possèdent de l'ADN d'une espèce différente, généralement généré par des techniques de clonage moléculaire. Les vaccins, les antibiotiques et les hormones sont des exemples de produits obtenus par la technologie de l'ADN recombinant. Les plantes transgéniques sont généralement créées pour améliorer les caractéristiques des plantes cultivées.


Biotechnologie environnementale pour un avenir durable

  • Auteur : Ranbir Chander Sobti
  • Editeur : Springer
  • Date de sortie : 2018-09-10
  • Genre: Technologie et ingénierie
  • Pages :
  • ISBN 10 : 9811072833

La durabilité environnementale est l'un des plus grands problèmes auxquels l'humanité est confrontée. L'industrialisation rapide et galopante a exercé une grande pression sur les ressources naturelles. Pour faire de notre planète un écosystème durable, habitable pour les générations futures et offrir des chances égales à toutes les créatures vivantes, nous devons non seulement apporter des corrections, mais également assainir les ressources naturelles polluées. Les techniques biotechnologiques à faible intrants impliquant des microbes et des plantes peuvent fournir la solution pour ressusciter les écosystèmes. La biorestauration et la biodégradation peuvent être utilisées pour améliorer les conditions des sols et des plans d'eau pollués. L'énergie verte impliquant des biocarburants doit remplacer les combustibles fossiles pour lutter contre la pollution et le réchauffement climatique. Les alternatives biologiques (bioinoculants) doivent remplacer les produits chimiques nocifs pour maintenir la durabilité des agro-écosystèmes. Le livre couvrira les derniers développements de la biotechnologie environnementale afin d'être utilisé dans le nettoyage et le maintien des écosystèmes pour un avenir durable.


Résumé de la section

La cartographie du génome est similaire à la résolution d'un grand casse-tête compliqué avec des éléments d'information provenant de laboratoires du monde entier. Les cartes génétiques fournissent un aperçu de l'emplacement des gènes dans un génome, et elles estiment la distance entre les gènes et les marqueurs génétiques sur la base de la fréquence de recombinaison pendant la méiose. Les cartes physiques fournissent des informations détaillées sur la distance physique entre les gènes. Les informations les plus détaillées sont disponibles via la cartographie des séquences. Les informations de toutes les sources de cartographie et de séquençage sont combinées pour étudier un génome entier.

Le séquençage du génome entier est la dernière ressource disponible pour traiter les maladies génétiques. Certains médecins utilisent le séquençage du génome entier pour sauver des vies. La génomique a de nombreuses applications industrielles, notamment le développement de biocarburants, l'agriculture, les produits pharmaceutiques et le contrôle de la pollution.

L'imagination est le seul obstacle à l'applicabilité de la génomique. La génomique est appliquée à la plupart des domaines de la biologie, elle peut être utilisée pour la médecine personnalisée, la prédiction des risques de maladie au niveau individuel, l'étude des interactions médicamenteuses avant la conduite des essais cliniques et l'étude des micro-organismes dans l'environnement par opposition à la laboratoire. Il est également appliqué à la génération de nouveaux biocarburants, à l'évaluation généalogique à l'aide de mitochondries, aux progrès de la science médico-légale et aux améliorations de l'agriculture.

La protéomique est l'étude de l'ensemble des protéines exprimées par un type cellulaire donné dans certaines conditions environnementales. Dans un organisme multicellulaire, différents types de cellules auront des protéomes différents, et ceux-ci varieront en fonction des changements dans l'environnement. Contrairement à un génome, un protéome est dynamique et en flux constant, ce qui le rend plus compliqué et plus utile que la seule connaissance des génomes.

Des exercices

Glossaire

biomarqueur: une protéine individuelle qui est uniquement produite dans un état malade

carte génétique : un aperçu des gènes et de leur emplacement sur un chromosome basé sur les fréquences de recombinaison entre les marqueurs

génomique: l'étude de génomes entiers, y compris l'ensemble complet de gènes, leur séquence et leur organisation nucléotidiques, et leurs interactions au sein d'une espèce et avec d'autres espèces

métagénomique : l'étude des génomes collectifs de plusieurs espèces qui se développent et interagissent dans une niche environnementale

organisme modèle: une espèce qui est étudiée et utilisée comme modèle pour comprendre les processus biologiques chez d'autres espèces représentées par l'organisme modèle

pharmacogénomique: l'étude des interactions médicamenteuses avec le génome ou le protéome aussi appelée toxicogénomique

carte physique: une représentation de la distance physique entre les gènes ou les marqueurs génétiques

signature protéique: un ensemble de protéines sur- ou sous-exprimées caractéristiques des cellules d'un tissu malade particulier

protéomique : étude de la fonction des protéomes

séquençage du génome entier : un processus qui détermine la séquence nucléotidique d'un génome entier


Voir la vidéo: Introduction à la biotechnologie (Décembre 2022).