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Genopole

LES BIOTECHNOLOGIES

LES BIOTECHNOLOGIES HIER

L’homme a peu à peu appris à maîtriser les procédés biologiques de façon à améliorer la qualité des aliments 6 000 avant J-C : Boissons alcoolisées L’homme a fabriqué les premières boissons alcoolisées il y a très longtemps. Le vin était déjà connu des égyptiens 3 000 ans avant Jésus-Christ 4 000 avant J-C : Bière, pain Les égyptiens savent utiliser la fermentation de l’orge pour faire de la bière et les levures pour faire du pain moelleux 3 000 avant J-C : Fromage, yoghourt Ces techniques pour profiter plus longtemps des bienfaits du lait apparaissent au Moyen-Orient 400 avant J-C : Vinaigre On découvre en Egypte cette fabrication qui sera industrialisée, en France, seulement 17 siècles plus tard 1 000 après J-C : Fromage Au moyen âge, en France, en Suisse, en Angleterre… le fromage devient un élément essentiel de l’alimentation 3

LES BIOTECHNOLOGIES AUJOURD’HUI : moléculaires (génie génétique) et cellulaires (cellules souches) 4

La structure de l’ADN Modèle moléculaire en 3 dimensions 5

La structure de l’ADN Schéma simplifié de la double-hélice 6

1ère Révolution : la naissance de la génétique moléculaire et du génie génétique Période 1960 - 1970 : Découverte de mécanismes et de molécules du vivant qui s’apparentent à des « ciseaux » et de la « colle » et permettent de couper la molécule d’ADN en des sites très précis, d’isoler un fragment de cette information génétique, de le replacer dans un contexte différent, par exemple dans une bactérie. Ces méthodes, très puissantes, permettent de comprendre comment fonctionne le matériel génétique. La biologie devient une science explicative. Cellule ADN Bactérie Levure

GENIE GENETIQUE Un gène dans un organisme La production de protéines recombinantes Quand la cellule devient une usine de production de molécules complexes Gène codant pour une molécule d’intérêt bactérie levure Cellule de mammifères Molécule médicament ou autre

Les Domaines Principaux d’Applications des Biotechnologies Biologie de Synthèse Conception des procédés complexes Nouvelles formes de vie Chimie Fine Chimie Verte Enzymes Tensio-actifs Acides Organiques Biopolymères Biocatalyseurs Cosmétiques Savons Détergents Médicaments – Biomédicaments Médecine Préventive Médecine Régénératrice Génobiomédecine Biothérapies Anticorps Antibiotiques. Cellules Souches Hormones Thérapie Moléculaires Vaccins Réparation Génétique Enjeux Industriels et Economiques des Biotechnologies « Biomasse et usine cellulaire » Informatique Bio-ordinateurs ? Matériaux Energies Bioplastiques Pâtes à papier Papier Textiles Biogaz Biocarburant Lubrifiants Biogazole… Agro-Alimentaire (homme et animal) Protection Biologique Plantes Résistantes Vitamines Protéines Edulcorant Additifs… Environnement Traitements des effluents Traitement des déchets Assainissement des sols Bioremédiation Biodégradation Phyto remédiation Métaux lourds Biodestruction des odeurs Ou comment croître sans puiser dans les réserves naturelles et sans polluer (biodégradabilité)

L’importance de la génétique pour la médecine humaine 10

La plupart de toutes les maladies sont associées à des variations d’orthographe dans la séquence d’ADN de gènes déterminés 11

GENOMIQUE à Grande Echelle et Cancers v Carte génétique de la tumeur v Carte génétique de l’hôte v Pharmacogénétique v Médecine prédictive anticancéreuse 12

Héritabilité des troubles mentaux Pathologies Héritabilité moyenne estimée (1) en % Autisme 80 Hyperactivité 70 Anorexie mentale 70 Schizophrénie (2) 50 Trouble panique (2) 40 Dépression 40 Troubles obsessionnels compulsifs (2) (1) Calcul basé sur une estimation et non sur des données exclusivement (2) Calcul effectué sur des échantillons comprenant des adultes 40

BIOTECHNOLOGIES ET MEDECINE DU FUTUR Les nouveaux chapitres Øla pharmacogénétique Øla thérapie génique Øl’ingénierie moléculaire : protéines recombinantes, hormones, etc… Øla thérapie cellulaire : les cellules souches, le clonage thérapeutique Øles organes bio-artificiels Øles nanotechnologies Øqu’apportent les biotechnologies à l’instrumentation médicale et au diagnostic ? 14

LES BIOTECHNOLOGIES BLANCHES INDUSTRIELLES 15

La diversité des biotechnologies Les biotechnologies blanches (industrielles, environnement) 1) Biodiesel, biocarburant, bioénergie, biomatériaux 2) Bioremédiation, assainissement des sols, traitements des déchets, biofiltration 3) Cosmétiques, biopolymères, arômes, conservateurs, épaississants 4) Cuir, papier 5) Procédés industriels (bioséparation, chimie lourde) 6) Enzymes détergentes, tensio-actifs biologiques 7) L’informatique biologique 8) Instrumentation, etc… 16

BIOTECHNOLOGIES ET ENVIRONNEMENT 17

BIOTECHNOLOGIES ET ENVIRONNEMENT Biorestauration : Utilisation d’organismes vivants pour dégrader des déchets toxiques en des produits non dangereux tels que l’eau ou le dioxyde de carbone. Traitement des sols ou des eaux contaminées. Exemple : utilisation de micro-organismes présents naturellement dans des sites contaminés par les produits pétroliers. Biostimulation : Introduction de substance nutritive et d’oxygène pour stimuler la croissance de micro-organismes destructeurs de déchet. 18

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BIOLOGIE DE SYNTHESE La biologie vue et travaillée par l’ingénieur 20

BIOREMEDIATION DU PETROLE Pseudomonas putida degrade hydrocarbures aromatiques (phénol, toluène, naphtalène) Gènes spécifiques E. Coli/putida Escherichia coli / transporteur tol. C + ipb laco DNAse 21

Voie artificielle de biosynthèse de l’hydrocortisone reconstruite chez la levure (Dr Denis Pompon, CNRS, Gif sur Yvette) Chemin principal vers l’hydrocortisone Réactions parasites contrôlées Voie minoritaire de synthèse qui coexiste avec la voie principale Enzymes du bœuf et de la plante Enzymes de levure dont les gènes sont modifiés pour changer leur niveau d’expression 22

BIOTECHNOLOGIES ET MEDECINE DU FUTUR Les cellules souches pluripotentes humaines 23

Pourquoi les cellules souches pluripotentes humaines ? Auto-renouvellement illimité Pluripotence : potentiel de différenciation maximum 24

Les deux sources de cellules souches pluripotentes sont explorées en parallèle fécondation in vitro 5 Biopsies, fibroblastes Embryon (Diagnostic préimplantatoire -DPI) Re-programmation Blastocyste Cellules souches induites à la pluripotence (i. PS) Cellules souches embryonnaires humaines (h. ES)

BIOTECHNOLOGIES ET MEDICAMENTS DU FUTUR Cellules en culture Agents différentiants Myoblastes corrigés Ovule non fécondé Lignes de cellules Multipotentes corrigées Individu malade myopathe Cellules corrigées Greffe du noyau Destruction Gène correcteur du noyau Lignée cellulaire multipotente Embryon Mise en culture Clonage 26 Thérapeutique

Gènes, Génétique, Génomique et Sociétés m Dérive eugénique m Médecine prédictive m Dérive réductionniste m Secret médical et test génétique (filiation) m Dérive policière m Génétique et travail m Thérapie génique m Génétique et assurance m Clonage m Brevetabilité des gènes m Recherches sur l’embryon m Brevetabilité du vivant m Cellules souches 27

Les trois principales causes de l’importance nouvelle des biotechnologies 1) Progrès fulgurants de la biologie qui, en 30 ans, devient une science explicative et se dote d’outils très puissants (génie génétique, biologie moléculaire, biologie à grande échelle). 2) Importance majeure pour la santé de l’homme (médicament, diagnostic, pronostic), mais aussi pour de nombreux autres domaines industriels (matériaux, éco-industrie, agro-alimentaire, chimie, informatique, énergétique…). 3) Peut se traduire par des retours sur investissement considérables (à l’exemple des TICS) mais souvent tardifs. 30

SEQUENCE Représentation de l’enchaînement des constituants élémentaires des molécules d’ADN (bases), symbolisés par les 4 lettres A, C, G et T. CTAGCTAAAGCCATCGACATCGTCAACTTACCCGGAACATAC SEQUENCAGE Ensemble des manipulations permettant de déterminer la séquence d’une molécule d’ADN 31

Description informatique ADN • L'ADN a la fonction de coder l’information en nature – Il représente la mémoire génétique d'une cellule ou d'un organisme • On peut considérer que les données sont représentées en base 4 (A, T, C, G) • L'ADN d'une cellule contient 700 méga-octets d'information 32

DEFINITIONS GENOME Ensemble de l’information génétique caractéristique d’une espèce ou d’un individu dans l’espèce dont le support chimique est une molécule géante, appelée acide désoxyribonucléique (ADN) GENOMIQUE Science qui se propose d’étudier la structure, le fonctionnement, l’évolution des génomes 33

DEFINITIONS Gène Unité de base du génome qui code pour une (ou des) protéine(s). Un gène peut s’étendre sur quelques centaines à quelques centaines de milliers de nucléotides. Génétique Science de l’hérédité puis du support moléculaire de cette hérédité : les gènes (structure, fonctions, évolution)

Enjeux Economiques et Industriels des Biotechnologies Concernent : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. L’industrie pharmaceutique L’agriculture, agrochimie, agroalimentaire Les industries de l’environnement Les matériaux L’instrumentation La chimie lourde L’énergétique L’informatique ? 35

LES BIOTECHNOLOGIES ROUGES Médecine, santé humaine, médecine vétérinaire, cosmétologie, diagnostic, nouveaux procédés thérapeutiques moléculaires ou cellulaires 36

LES BIOTECHNOLOGIES VERTES (agriculture, agrochimie, agro-alimentaire) LES BIOTECHNOLOGIES BLEUES (aquaculture) 37

TRAITEMENT DE MALADIE GENETIQUE PAR IPS Fibroblaste en culture Agents différentiants Myoblastes corrigés oct – 3/4 Lignes de cellules pluripotentes corrigées SOX 2 c-Myc Individu malade myopathe Klf 4 Cellules corrigées ou Facteur i. PS Clones de lignées cellulaires pluripotentes Gène correcteur Lignée cellulaire pluripotente 38

BIOTECHNOLOGIES Ensemble des méthodes ou techniques utilisant des éléments du vivant (organismes, cellules, éléments subcellulaires ou moléculaires) pour recher, produire ou modifier des éléments ou organismes d’origine végétale ou animale (ou non). Les biotechnologies concernent donc des procédures qui peuvent contribuer au développement de nouveaux produits ou de services et des produits déterminés.

Si les biotechnologies sont tellement anciennes (- 6 000 ans av. JC. ) Pourquoi en parle t-on avec autant d’intérêt, d’enthousiasme et parfois de crainte depuis 30 ans ? Pour trois raisons