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Article

1 - CONCEPTS ET ENJEUX DE L’INGÉNIERIE MÉTABOLIQUE ET DE LA BIOLOGIE DE SYNTHÈSE

2 - GRANDS SUCCÈS DE L’INGÉNIERIE MÉTABOLIQUE

  • 2.1 - Ingénierie métabolique et biocarburants
  • 2.2 - Ingénierie métabolique et produits pharmaceutiques
  • 2.3 - Ingénierie métabolique et substitution des commodités fossiles

3 - CONCEPTION RATIONNELLE ET BIOLOGIE DE SYNTHÈSE

  • 3.1 - Apport de l’informatique en ingénierie du vivant
  • 3.2 - Conception rationnelle de voies métaboliques
  • 3.3 - Modélisation de flux et optimisation des souches

4 - DE L’ÉPROUVETTE AU FERMENTEUR INDUSTRIEL

  • 4.1 - Substitution de produits pétrochimiques par des alternatives renouvelables
  • 4.2 - Quelques concepts permettant de faciliter le changement d’échelle
  • 4.3 - Quelques astuces de conception pour des rendements optimaux
  • 4.4 - Passage au fermenteur industriel
  • 4.5 - Confinement et sécurité génétique

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BIO800 v2

Concepts et enjeux de l’ingénierie métabolique et de la biologie de synthèse
Ingénierie métabolique et biologie de synthèse pour la chimie verte

Auteur(s) : Cyrille PAUTHENIER, Jean-Loup FAULON

Date de publication : 10 févr. 2018

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RÉSUMÉ

L’urgence écologique et l’épuisement des ressources naturelles obligent l’industrie chimique à repenser son mode de production. Depuis les années 1990, l’ingénierie métabolique vise à concevoir « à la carte » des micro-organismes capables de produire par fermentation le composé chimique voulu à partir de ressources renouvelables. Cet article traite des différents concepts,  enjeux et de l’état de l’art de la discipline. Il sera aussi question des nouvelles directions prises par la biologie de synthèse et son impact sur l’avenir des biotechnologies industrielles.

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ABSTRACT

Metabolic engineering and synthetic biology for green chemistry

In order to face today's ecological issues and exhaustion of natural resources, reconsidering the entire methodology of industrial production seems to be necessary. Born in the 1990's, metabolic engineering aims at building micro-organisms « à-la-carte » to produce compounds of interest from renewable resources by microbial culture. This review presents the fundamental concepts and  state-of-the-art of the discipline. The article details the new directions taken by the field of synthetic biology and its impact on future industrial biotechnologies.

Auteur(s)

  • Cyrille PAUTHENIER : Président et directeur scientifique - Abolis Biotechnologies, SAS, Évry, France

  • Jean-Loup FAULON : Directeur de recherche INRA - Micalis, Jouy-en-Josas, France

INTRODUCTION

Depuis le XIXe siècle, nos sociétés se sont développées sur la base d’une industrie florissante et sont devenues dépendantes de produits et d’énergies en provenance de sources non renouvelables. Du fait de la dégradation de l’environnement et de l’épuisement prochain d’un grand nombre de ressources naturelles, il est nécessaire de repenser nos modes de production et de consommation, à l’économie d’abord, puis de substituer aux besoins indispensables une production alternative propre et durable.

L’identification de souches naturelles a permis le développement des premiers procédés de fermentation industrielle au milieu du XXe siècle avec la production d’antibiotiques, d’acides aminés et de quelques acides organiques. Mais, depuis les années 1980, les progrès de l’ingénierie du vivant ont permis de franchir une étape supplémentaire avec l’ambition de construire des organismes « à la carte », capables de produire par fermentation le composé voulu à partir de ressources issues de la biomasse végétale. C’est l’objectif d’un champ de recherche appelé « ingénierie métabolique ». À ce jour, la fermentation de plus de 130 composés différents a été étudiée dans de multiples organismes afin de couvrir les besoins en carburants, plastiques et autres molécules de l’agriculture, de la chimie et de la médecine (voir l’article [BIO801] des Techniques de l’ingénieur).

Contraindre un micro-organisme à fabriquer un composé chimique est loin d’être une tâche aisée. Il est possible d’en produire de faibles quantités, mais obtenir un rendement économiquement viable est très dépendant de la source de carbone choisie, de l’échelle de production et de la méthode de séparation utilisée. Dans cet article, nous présentons un panel d’outils et de méthodes utilisables pour concevoir un organisme et augmenter de manière significative ses rendements en utilisant des approches de biologie de synthèse.

Nous pensons que les technologies issues de l’ingénierie métabolique et de la biologie de synthèse sont bientôt prêtes à sortir du monde académique et à être expérimentées plus largement à l’échelle industrielle, comme le montrent un certain nombre de succès industriels récents. Nous discuterons aussi du rôle des acteurs académiques et des entreprises, ainsi que des phases de développement et des astuces pour passer du laboratoire au fermenteur de production.

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KEYWORDS

Metabolic engineering   |   Synthetic biology   |   bio-production   |   biofuels   |   bio-plastics   |   biobased chemistry

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-bio800


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1. Concepts et enjeux de l’ingénierie métabolique et de la biologie de synthèse

1.1 Enjeux industriels du XXIe siècle et chimie

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1.1.1 Dépendance de l’industrie du XXe siècle pour les ressources non renouvelables

Les grands progrès économiques et industriels du XXe siècle ont engendré une multiplication sans précédent de la variété des molécules et matériaux utilisés par l’homme pour la fabrication et les besoins énergétiques des objets qu’il construit. De ce fait, les progrès industriels ont induit une dépendance accrue de nos sociétés vis-à-vis des ressources naturelles de la planète.

Les deux sciences motrices de ce progrès furent d’abord l’ingénierie puis la chimie, venue sous-tendre les besoins technologiques de la première. Utilisant les progrès de la physique, ces deux disciplines ont su s’imposer comme des sciences à part entière dont les développements fondamentaux trouvent généralement des applications rapides. Ainsi, les carburants liquides, les plastiques et fibres textiles synthétiques ont peu à peu remplacé le charbon, les métaux et les fibres naturelles à moindre coût ; les matériaux avancés comme les semi-conducteurs ont soutenu le développement de l’informatique et enfin les progrès dans la chimie des phosphates et de l’azote ainsi que la chimie organique ont révolutionné l’agriculture et la médecine.

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1.1.2 Difficultés de la chimie verte

Avec la prise de conscience de l’épuisement des ressources naturelles et en particulier du pétrole, ainsi que les conséquences environnementales de la chimie traditionnelle, la communauté scientifique a tenté de redéfinir les objectifs de la chimie au début des années 2000. Les principes d’économie d’atomes, d’économie d’énergie et de la minimisation des substances toxiques dans les procédés et le devenir des déchets sont entrés progressivement dans les esprits, créant ainsi la « chimie verte », dont les 12 principes ont été...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ANASTAS (P.), WARNER (J.C.) -   Green chemistry.  -  US Environmental Protection Agency. http://www.epa.gov/greenchemistry/

  • (2) -   Production of acetone and alcohol by bacteriological processes.  -  U.S. Patent US1315585(1919).

  • (3) - UNITED STATE DEPARTMENT OF AGRICULTURE -   U.S. Biobased Products : Market Potential and Projections Through.  -  http://usda.gov/oce/reports/energy/BiobasedReport2008.pdf (2025).

  • (4) - ERICKSON (B.), NELSON, WINTERS (P.) -   Perspective on opportunities in industrial biotechnology in renewable chemicals.  -  Biotechnology journal, vol. 7, no. 2, pp. 176-85 (2012).

  • (5) - XUE (C.), ZHAO (J.), LU (C.), YANG (S.T.), et al -   High-titer n-butanol production by clostridium acetobutylicum JB200 in fed-batch fermentation with intermittent gas stripping.  -  Biotechnology and bioengineering, vol. 109, no. 11, pp. 2746-56 (2012).

  • ...

1 Normes et standards

CEN Produits bio-sourcés (Travaux du TC 411), EN 16575, 2014.

CEN Carburants liquides et gazeux, lubrifiants et autres produits liés au pétrole, de synthèse ou d’origine biologique (Travaux du TC19), en cours.

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2 Réglementation

En Europe

Directive n° 2009/41/CE du 6 mai 2009 relative à l’utilisation confinée de micro-organismes génétiquement modifiés

En France

Décret n° 2011-1177 du 23 septembre 2011 relatif à l’utilisation confinée d’organismes génétiquement modifiés (version consolidée du 26 septembre 2011)

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