III. DES BACTERIES TRES CONVOITEES...
Scientifiques et industriels en conviennent, les microorganismes des sources hydrothermales détiennent des secrets qui laissent rêveurs. Des secrets aux enjeux professionnels, médicaux et scientifiques. En effet, les bactéries thermophiles permettent d’entrevoir d’innombrables applications dans des domaines parfois très lointains, que ce soit la lutte contre le cancer ou les perspectives de dépollution.
A. Les bactéries thermophiles : un trésor qui suscite beaucoup d’intérêt
Une salle blanche
Avec une estimation à plus de 17 milliards de dollars (en 1999), le marché potentiel mondial des enzymes et des composés organiques issus des extrêmophiles se porte plutôt bien. C’est en tout cas ce que montre cette estimation de la société Diversa, spécialisée dans la vente d’enzymes d’archéobactéries hyperthermophiles aux industriels. Pour elle, l’avenir passe en partie par la filière pharmaceutique qui représente à elle seule près de 5 milliards de dollars.
Un phénomène qui est confirmé par la multiplication des dépôts de brevets. Les travaux de recherche sont bien évidemment soutenus par de nombreux programmes publics et privés. Ainsi, l’Union Européenne adhère à cette politique et considère la recherche sur les extrêmophiles comme une priorité.
Elle a d’ailleurs mis en place des programmes biotechnologiques dès 1982. Entre 1993 et 1996, le projet "Biotechnologies des extrêmophiles" a impliqué 39 laboratoires européens et fut un véritable succès.
De 1996 à 1999, dans le cadre du 4ème programme commun de recherche et développement, le projet "Les extrêmophiles comme usines cellulaires" a impliqué plus de 58 institutions pour un budget de près 46 millions de francs. Son objectif était de parvenir à produire des enzymes industrielles (hydrolases et ADN polymérases), voire d’autres molécules, à partir d’extrêmophiles spécifiques.
Entre 2001 et 2004, le programme "Pyred", soutenu par l’Union Européenne, a eu pour objectif d’étudier les thermophiles Thermococcales et de mieux déterminer leurs potentialités industrielles.
Les Etats-Unis ne sont pas en reste puisque plusieurs grands organismes de recherche ont eux aussi développé leur propre programme sur les extrêmophiles :
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La Scripps Institution of Oceanography (La Jolla, Californie, Etats-Unis)
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Le Woods Hole Oceanographic Institution (Woods Hole, Massachusetts, Etats-Unis)
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Le National Cancer Institute (Bethesda, Maryland, Etats-Unis)
En 1998, la National Scientific Fondation a même lancé un appel d’offres de 6 millions de dollars sur l’étude de la vie des extrêmophiles.
Cet enthousiasme a gagné petit à petit le reste du monde. D’autres programmes ont également été lancé au Japon impliquant différents organismes de recherche comme le Centre maritime japonais de la science et de la technologie de Tokyo ou encore les universités de Tsukuba et de Kyoto.
En France, le laboratoire Microbiologie et Biotechnologie des extrêmophiles de l'Ifremer (anciennement LBMH) contribue à caractériser la biodiversité microbienne des sources hydrothermales. Il vise aussi à l’isolement de souches bactériennes et archéennes originales. Le but final étant bien sûr de rechercher les valorisations possibles de la collection de microorganismes ainsi constituée.
Parallèlement, ce laboratoire participe aux programmes suivants :
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Le programme scientifique du GDR* "Groupement de Recherche sur les polysaccharides* microbiens d'origine marine et leurs potentiels biologiques". Son objectif : identifier et valider les propriétés thérapeutiques de nouveaux polysaccharides d'origine marine.
Les équipes de recherche (Laboratoire hématologie-hémostase, UMR Université Paris 5 et INSERM U428 ; Laboratoire de physiopathologie des tissus non minéralisés, Université Paris 5, Faculté de chirurgie dentaire ; Laboratoire de thérapie cellulaire et de culture de cellules souches hématopoïétique, Université de Bretagne Occidentale, CHU Morvan) impliquées dans ce programme se proposent d'étudier les potentiels thérapeutiques des exopolysaccharides (EPS) produits par des bactéries marines dans différents domaines de santé humaine (cardiovasculaire, oncologie et ingénierie tissulaire). -
Le programme VANAM, "Valorisation Alimentaire et non Alimentaire des Macromolécules". Ce programme de recherche, mené dans le cadre du Contrat Etat-Région Pays de la Loire, relève du secteur Agroalimentaire - Végétal - Environnement. Parmi ses actions : le développement de nouvelles molécules d’intérêt médical dérivées de polysaccharides marins (Alteromonas macleodii, Alteromonas infernus).
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Le programme GIENSAT
L’engouement pour ces bactéries extrêmophiles touche également le secteur privé. Les sociétés se multiplient. En Israël, la société Archaenzyme Ltd. se consacre à l’isolement et au développement d’enzymes à partir d’archaebactéries pour diverses applications : ligases à ADN, alcools et glucoses déshydrogénases, protéases.
La première société française, Protéus, spécialisée dans la vente d’enzymes d’archéobactéries hyperthermophiles a vu le jour en 1998 dans le cadre d’un accord passé avec l’Ifremer.
En 2004, Seadev, nouvelle entreprise de biotechnologies marines, démarre ses activités sur la technopole de Brest-Iroise. Son objectif est de valoriser les molécules issues des recherches sous-marines profondes de l'Ifremer. Les applications concernent notamment la chimie et l'industrie des cosmétiques.
B. Des microorganismes aux atouts indéniables
1. Des bactéries pleines d’atouts
En amont des procédés industriels, les organismes thermophiles sont pleins d’atouts et séduisent les biotechnologies pour au moins deux raisons :
- Possibilité d’effectuer des procédés biotechnologiques à des températures élevées.
- Intérêt des composants moléculaires, et notamment des enzymes.
En effet, les thermophiles sont capables de produire des enzymes* douées d’activité à des températures nettement plus élevées que les enzymes des organismes conventionnels.
De plus, les enzymes thermophiles sont plus stables que les enzymes mésophiles, même à des températures modérées, ce qui permet de prolonger leur durée de vie et de mieux supporter l’action d’agents dénaturants, de solvants et de protéases.
Par ailleurs, les conditions de mise en oeuvre des réactions biochimiques à grande échelle étant souvent limitées par les paramètres physico-chimiques de l’eau, l’utilisation de microorganismes thermophiles à des fins industrielles est très attrayante.
Pour en savoir plus
2. Des enzymes compétitives
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Plus résistantes aux températures élevées
Les enzymes thermophiles catalysent de façon idéale les diverses réactions biochimiques, et ceci, à des températures nettement plus élevées que les enzymes produites par les organismes mésophiles. Un facteur très utile car la plupart des réactions industrielles utilisant des biocatalyseurs sont généralement menées entre 55 et 100°C. -
Plus résistantes aux pH acides ou basiques
Ces enzymes sont résistantes. Plus résistantes en tout cas que les mésophiles face aux agents dénaturants chimiques tels que le SDS (sodium dodécyl sulfate), le chlorure de guanidine, l’urée, les solvants organiques, les détergents ou encore les protéases. Elles peuvent donc travailler en présence de solvants organiques, supporter des pH acides ou basiques. Elles tolèrent des techniques de purification plus dures tout en obtenant de bons rendements. -
Plus stables
Les enzymes, comme toutes les protéines, se dénaturent au cours du stockage. Ce principe impose au fabricant d’ajouter environ 10% d’activité pour compenser l’inactivation se produisant entre la date de fabrication et la date de péremption du produit. Les thermophiles présente ici un avantage certain : leur stabilité prolongée. La durée de conservation est donc plus longue. Les réacteurs à enzymes thermostables immobilisés sont donc opérationnels plus longtemps. Le coût de production en est donc diminué.
Leur utilisation présente, cependant, quelques légers inconvénients. Ainsi, les coûts énergétiques de chauffage sont importants. Sans compter qu’il est difficile de maintenir un réacteur stable pendant de longues périodes à haute température.
C. Les applications...
Les microorganismes thermophiles proposent une multitude d’applications. Une diversité étroitement liée au fait que ces bactéries sous-marines détiennent de nombreuses enzymes attractives pour le milieu industriel. Les microorganismes sont donc utilisés soit dans leur intégrité, soit isolément en employant uniquement leurs enzymes thermostables et d’autres composés cellulaires intéressants.
1. Le cas des enzymes
Cette deuxième option est d’ailleurs la plus répandue. Il est vrai que si les microorganismes présentent un intérêt scientifique, les enzymes proposent généralement des applications plus concrètes dans le secteur de la microbiologie.
Le succès commercial des enzymes thermostables se confond d’ailleurs encore aujourd’hui avec l’avènement de la PCR (Polymerase chain reaction ou réaction en chaîne par polymérase) , une technique d’amplification génique très puissante désormais courante en biologie moléculaire.
Le principe consiste à prendre un fragment d’ADN simple brin et à fabriquer son complémentaire à l’aide d’une ADN polymérase. Si l’on chauffe ensuite la double hélice obtenue, les 2 brins se séparent. Une fois les deux brins refroidis, l’opération est répétée une deuxième fois, puis une troisième, etc. Ce procédé est très intéressant puisqu’il permet d’obtenir rapidement 100 milliards de copies étant donné que chaque étape double le nombre de fragments.
Moins d’un an après les premières réactions, l’ADN polymérase d’E. coli alors utilisée fut remplacée par Thermus aquaticus ou Taq polymérase (thermophile issue des sources chaudes du parc de Yellowstone), une enzyme thermostable. Ce choix repose bien sûr, sur l’aptitude de cette nouvelle enzyme à résister à la chaleur.
À ce jour, la Taq polymérase "naturelle" extraite de Thermus aquaticus n'est plus la seule enzyme utilisée dans les réactions de PCR. Certaines sociétés commercialisent aussi des Taq recombinantes ainsi que des polymérases issues d'autres microorganismes aux noms souvent évocateurs tels que, par exemple, Pyrococcus furiosus (Pfu polymérase), Thermococcus litoralis (Tli polymérase), Thermus thermophilus (Tth polymérase) etc. Les propriétés et les utilisations de ces différentes enzymes* ne sont pas identiques. C’est une véritable innovation pour les nombreux domaines qui utilisent la PCR, que ce soit la recherche fondamentale, la médecine légale et clinique ou encore le monde des cosmétiques.
2. La membrane lipidique et les parois cellulaires
Les archéobactéries thermophiles possèdent notamment une membrane lipidique et une paroi cellulaire hors du commun. De quoi intéresser le milieu pharmaceutique et les sociétés spécialisée en cosmétologie. Ces lipides sont particulièrement intéressant dans la construction de liposomes thermostables (les liposomes sont de petites vésicules sphériques constituées par un assemblage lipidique, au sein desquelles on peut placer diverses molécules qui se trouvent alors séparées du milieu externe). Pratique donc pour réaliser des suspensions stables et homogènes qui véhiculent divers principes actifs.
Les liposomes peuvent ainsi véhiculer des médicaments dans l’organisme (vaccins,…). Ils peuvent également être utilisé en cosmétologie. En effet, dans ce domaine, de nombreuses substances (antioxydants, collagène, etc.) sont en général appliquées localement sous forme d’émulsion huileuse ou de solution alcoolique. Or, l’huile et l’alcool peuvent endommager la peau en cas d’application prolongée. L’encapsulation dans des liposomes permet donc de contourner ce problème.
La PCR est très pratiquée dans ce secteur ainsi que dans l’agroalimentaire pour vérifier l’absence d’organismes génétiquement modifiés (OGM).
Plusieurs kits de diagnostic médical et microbiologique emploient également cette technique pour la détection de virus pathogènes. Roche a commercialisé par exemple en 1996 des kits de diagnostic du virus HIV ou VIH (Human Immunodefiency Virus ou Virus de l'Immuno-déficience Humaine - virus du SIDA) et, plus récemment, des kits de détection de la tuberculose.
D’autres techniques de biologie moléculaire font bien évidemment appel aux enzymes thermostables. La LCR (Ligase chain reaction) par exemple fonctionne avec la Tth ligase issue de Thermus thermophilus pour détecter les maladies génétiques.
Les enzymes découvertes dans les abysses hydrothermales assurent aussi la fabrication en grande quantité des dérivés de l’amidon. Dérivés qui interviennent aussi bien dans la fabrication de confiserie et de pâtisserie que dans les substrats bon marché pour les fermentations industrielles. Les enzymes issues des sources hydrothermales laissent aussi entrevoir des perspectives dans l’alimentation animale, dans l’industrie papetière ou encore en cosmétologie… Faciles à produire et à purifier, résistantes aux conditions d’utilisation industrielle, les enzymes thermophiles pourraient supplanter leurs homologues dits "classiques" dans plusieurs domaines d’application. Sans compter que les molécules hydrothermales cachent de nombreux autres trésors.
3. Le rôle des polysaccharides
A l’instar des microorganismes thermophiles, il existe chez les mésophiles* issus des écosystèmes hydrothermaux profonds quelques bactéries aux propriétés toutes aussi captivantes. Ces microorganismes sont des sources potentielles de polymères qui présentent un intérêt biotechnologique. Parmi ces polymères, il convient de citer les polyesters "biodégradables" et les exopolysaccharides bactériens.
Ces polysaccharides ont des caractéristiques très intéressantes tels que :
- Faciliter l’adhésion bactérienne aux surfaces,
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Piéger les oligo-éléments nécessaires à la croissance des micro-organismes à l’intérieur d’un biofilm,
- Protéger contre les agressions biologiques ou chimiques.
L’environnement pourrait d’ailleurs profiter des largesses de ces polysaccharides pour réaliser des matériaux "biosorbants". Une hypothèse qui apparaît désormais comme une alternative aux techniques conventionnelles de récupération des métaux, souvent coûteuses et peu performantes.
Depuis moins d’un an, une nouvelle application est apparue avec les polyesters biodégradables : sept souches ont été isolées qui permettront la production de plastiques biodégradables.
De nombreux secteurs industriels sont également intéressés par ces polysaccharides :
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Industrie du pétrole (récupération assistée du pétrole)
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Industrie agroalimentaire (agents texturants : épaississants, gélifiants, stabilisants, etc.)
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Industrie dans le domaine de la chimie et des produits phytosanitaires (enrobage de semences ou de pesticides)
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Cosmétologie, industrie pharmaceutique (régénérations tissulaires pour les os, les problèmes de derme ; chirurgie dentaire)
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Environnement (biosorbants).
Les polysaccharides intéressent également les organismes de recherche médicale. Ainsi, le Groupement d'Intérêt Scientifique (Gis) appelé GIENSAT - Groupe Interdisciplinaire d'Etude de Nouvelles Stratégies Anti-Tumorales - a pour mission de découvrir de nouveaux traitements du cancer à partir des produits d'origine marine. Il a développé l'utilisation des polysaccharides pour limiter les inconvénients de la chimiothérapie en aidant à mieux cibler l'action des médicaments sur les seules cellules malades.
Créé en septembre 2003, le Gis-GIENSAT regroupe le CHU de Brest, le Laboratoire de thérapie cellulaire de l'institut de cancérologie et d'hématologie et le Laboratoire d'anatomie-pathologique. Il faut aussi citer le Laboratoire de biotechnologie des molécules marines de l'IFREMER et le Laboratoire de chimie et de biologie des substances naturelles de la faculté des sciences de l'université de Bretagne Occidentale qui se sont engagés dans l’aventure. Précisons que deux partenaires industriels ont rejoint il y a maintenant près de deux ans le Gis-GIENSAT : le Laboratoire Roche et l'entreprise MAT (Monoclonal Antibody Technology).
Malgré tout et bien qu’ils soient parfois utilisés en remplacement de leurs homologues mésophiles dans certains procédés biotechnologiques, les microorganismes et enzymes thermophiles n’ont pas livré tout leurs secrets. D’autant que les industriels n’ont pas encore optimisé leurs potentialités. Les connaissances sur les mécanismes de la thermophilie, sur la physiologie, l’enzymologie et la génétique de ce groupe, découverts il y a seulement une vingtaine d’années restent encore limitées, même si la recherche ne cesse de progresser.
Les microorganismes thermophiles constituent donc un gisement de molécules nouvelles en perpétuelle évolution. Il est d’ailleurs probable que les enzymes utilisées actuellement dans les différents secteurs industriels aient une version plus stable provenant toutes d’un organisme extrêmophile. Une idée qui laisse rêveur bon nombre d’industriels…
Dans l’avenir, l’étude et la découverte des potentialités de ces organismes et de leurs enzymes seront facilitées par les techniques de criblages rapides basées sur la biochimie et le génie génétique, par les études de séquençage systématique des génomes et par les études de thermostabilité. Ce domaine est donc en évolution perpétuelle et reste un sujet d’actualité permanent.