Les promoteurs de la biologie de synthèse ont introduit dans la biologie moléculaire un certain nombre de principes venant tout droit de l'ingénierie. Leur but: modifier le vivant pour lui faire produire de nouvelles molécules. De nombreuses applications sont attendues dans les domaines de la santé, de l'énergie, des matériaux, de l'environnement et de l'agriculture. Comment se fera le passage à la phase industrielle? C'est la principale question aujourd'hui.

L’avènement de la biologie de synthèse est d’abord une révolution idéologique. Ses origines remontent au milieu du XIXe siècle, avec l’avènement des théories évolutionnistes, d’un côté, et de l’autre la métamorphose de l’agriculture, qui était une pratique et devient alors une science. Le monde de la biologie, et plus largement notre conception du vivant, s’en sont trouvés bouleversés.

L’émergence de la biochimie rapproche alors l’étude des organismes vivants de celle des corps composés. Le terme de « biochimie » apparaît à la fin du XIXe siècle et signale un intérêt accru pour les réactions chimiques à l’œuvre au sein du vivant : production d’énergie par la cellule, synthèse ou à l’inverse dégradation des molécules… La meilleure compréhension des mécanismes chimiques à l’œuvre dans le vivant va très vite de pair avec l’idée d’une intervention et de modifications.

Le botaniste américain Luther Burbank compare alors la culture sélective des plantes à de « l’architecture ». Le médecin nantais Stéphane Leduc introduit en 1921 le terme de « biologie synthétique ». La méthode synthétique, écrit-il, « semble devoir être la plus féconde, la plus apte à nous révéler les mécanismes physiques des phénomènes de la vie dont l’étude n’est même pas ébauchée ».

Il faut cependant attendre les années 1950 et 1960 pour envisager la biologie de synthèse d’un point de vue technique, grâce au développement d’outils comme le microscope électronique qui vont permettre des progrès spectaculaires dans la compréhension de la biologie à l’échelle moléculaire : parmi ces progrès, la découverte de l’ADN en 1953.

Parallèlement, il commence à apparaître de plus en plus clairement que même si l’évolution fonctionne de façon aléatoire, des principes mathématiques gouvernant les réseaux biologiques sont discernables. C’est, à la fin des années 1990, l’essor de la biologie des systèmes. C’est sur ce terrain fertile qu’un certain nombre d’ingénieurs ont commencé à porter leur attention. Leur devise : What I cannot create, I do not understand, une célèbre formule du physicien Richard Feynman lors d’un de ses cours à Caltech.

Au tournant du XXIe siècle, Drew Endy et Tom Knight posent les fondations de ce qui est aujourd’hui la biologie de synthèse. iGEM, une compétition étudiante qu’ils lancent en 2004, sera déterminante pour le développement de la biologie synthétique et sera notamment le vecteur de son introduction en France en 2007 au Centre de Recherche Interdisciplinaire à Paris. C’est en participant à cette compétition que de nombreux chercheurs d’aujourd’hui ont été initiés à ce domaine émergent.

Les promoteurs de la biologie de synthèse ont introduit dans la biologie moléculaire un certain nombre de principes venant tout droit de l’ingénierie : modularité, abstraction et standardisation. Le concept de « biobrick », une séquence d’ADN normalisée facilement réutilisable et au comportement caractérisé, en est un exemple emblématique.

De petites usines vivantes
La biologie de synthèse est cartésienne et réductionniste. Mais une simplification trop poussée de la biologie peut conduire à ignorer certaines « astuces » trouvées par le vivant au cours des centaines de milliers d’années d’évolution, astuces dont il serait pourtant intéressant de s’inspirer.

Car le vivant a une efficacité remarquable. Par exemple, les composants des cellules sont très rigoureusement organisés dans l’espace, avec une diversité de compartiments appelés organelles. De nombreuses bactéries spécialisent ces micro-compartiments dans certaines réactions métaboliques, augmentant ainsi la productivité des voies enzymatiques concernées. On comprend sans peine à quel point il serait intéressant de pouvoir contrôler artificiellement l’organisation spatiale de ces voies métaboliques.

C’est ici qu’interviennent les nanotechnologies de l’ADN. Ce domaine utilise la complémentarité des bases de l’ADN pour concevoir des séquences s’assemblant de manière ordonnée à l’échelle nanométrique en motifs prédéfinis : nanofilaments, structures à deux ou trois dimensions. Est-il possible d’utiliser les savoirs de cette science pour construire des « organelles » artificielles afin d’isoler n’importe quelle voie métabolique, et ainsi d’augmenter fidélité et rendement ?

Construire un pont entre nanotechnologie et biologie synthétique n’est pas sans embûche. Tout d’abord, les nanotechnologies de l’ADN étaient jusqu’alors une science confinée au tube à essai. Comment faire marcher tous les principes d’assemblages acquis dans ce domaine par 20 ans d’expérimentation in-vitro et les faire marcher in-vivo ? Ensuite, comment travailler avec de l’ARN à la place de l’ADN? L’ARN peut être produit en grande quantité dans des cellules bactériennes mais pose un problème de stabilité. Enfin, comment caractériser ces structures in-vivo? En s’aventurant sur des chemins non pavés de la science, il faut bien souvent développer de nouvelles techniques permettant cette exploration.

Travailler à la frontière entre domaines demande ainsi la mise au point de nouvelles façons d’expérimenter et de penser la science, et pose par ailleurs des problèmes de régulation dont certains touchent à l’éthique et qui, même si on ne les développera pas ici, doivent être débattus.

Mais le principal enjeu à présent est technologique et industriel. Car au delà de son aspect didactique, la biologie synthétique a pour but de détourner le métabolisme de micro-organismes, pour en faire de petites usines vivantes.

Syn-Bio-Cell

Ces usines ont la particularité de pouvoir accomplir d’incroyables réactions chimiques dans des conditions physiques (température, pressions) beaucoup plus raisonnables que celles nécessaires à la vaste majorité des synthèses chimiques classiques dans l’industrie, à un coût énergétique bien moindre. Certains micro-organismes peuvent également utiliser les déchets de nos industries (les déchets cellulosiques, par exemple) ou même utiliser directement l’énergie solaire et fixer du dioxyde de carbone. Enfin, vous ne verrez aucune usine créer une copie conforme à elle-même – or la biologie excelle à cette tâche !

En mobilisant ainsi les ressources de la biologie, on pourrait bien changer radicalement l’équation d’un certain nombre de problèmes, notamment dans le domaine énergétique.

Par exemple, la dépendance aux ressources énergétiques fossiles représente un défi climatique et géopolitique conséquent pour nos sociétés contemporaines. Les biocarburants de dernière génération non en compétition avec les ressources alimentaires offrent une solution intéressante pour soulager la crise énergétique présente et à venir.

On peut penser aussi à la production d’hydrogène, une molécule qui a l’avantage d’être énergétiquement quatre fois plus dense que le bioéthanol et dont l’utilisation ne rejette que de l’eau. La molécule d’hydrogène peut être produite biologiquement via différentes enzymes, en testant une combinatoire d’enzymes piochées dans ce fabuleux « App Store » qu’est la nature. Une bactérie bien connue (Escherichia coli) permet ainsi de synthétiser du bio-hydrogène ; dans sa thèse de doctorat, Camille Delebecque a pu développer, à base d’ARN, une organelle synthétique mieux organisée et 48 fois plus efficace que celle de la nature.

Pistes industrielles
La biologie synthétique ouvre donc sur la possibilité d’isoler des voies métaboliques d’intérêt et d’augmenter leurs rendements. On se rapproche ainsi d’une réalité industrielle.

Des exemples existent déjà dans l’industrie pharmaceutique, la cosmétique, les compléments alimentaires, mais aussi la médecine régénérative, le traitement des déchets (avec la création de bactéries capables de dégrader les substances toxiques de l’environnement) ou encore l’agronomie (développement de bio senseurs pour contrôler la qualité nutritive des sols…). Côté agriculture, on évoque la fabrication de colliers ou de patchs insecticides. La chimie verte et la production de biocarburants sont évidemment en première ligne : la firme américaine Craig Venter a signé des accords avec Exxon et BP pour concevoir des micro-organismes capable de produire en continu des hydrocarbures (éthanol et butanol). Des chiffres circulent : avec un marché estimé de 1000 milliards de dollars en 2025, la biologie de synthèse apparaît comme le futur des biotechs.

Le passage à l’industrie est d’autant plus logique que la biologie de synthèse procède d’une culture et d’une approche des biotechnologies vraiment particulières, inspirées du monde de l’ingénierie.

Mais cette culture d’ingénierie ouvre sur d’autres possibilités, qui ne doivent pas être sous-estimées. Loin d’être confinée aux laboratoires richement dotés des grandes firmes pharmaceutiques et autres qui se barricadent de brevets, la biologie de synthèse est aussi une discipline coopérative, donnant lieu à des échanges et à des formes plus ouvertes d’innovation collaborative. L’application des principes de l’ingénierie a permis un essor rapide, notamment via une certaine facilité à échanger des morceaux d’ADN et à construire en s’appuyant sur le travail des autres. Cette dynamique peut être facteur de diffusion et de développement économique.

C’est le pari d’une firme comme Synbio, qui vise à faciliter la contribution de personnes n’appartenant pas directement au cercle restreint des spécialistes, mais capables de repérer des fonctionnalités potentiellement utiles. Ce peuvent être, notamment, des paysans de pays dits « sous-développés », connaissant intimement les ressources de leur biotope.

Des institutions aussi diverses que l’OMS, la Bill & Melinda Gates Foundation, l’Académie des sciences américaine ont ainsi reconnu ces dernières années la capacité de la biologie de synthèse à contribuer au développement, en ouvrant sur le développement de nouveaux médicaments, vaccins ou antibiotiques. Pour faire émerger des savoirs et les aider à nourrir des projets entrepreneuriaux, on peut notamment créer et structurer des écosystèmes locaux, sur le modèle des concours comme iGEM, ou dans une optique collaborative comme celle du mouvement DIYbio.

La « Do-It-Yourself Biology » est un mouvement qui vise à diffuser les compétences nécessaires à l’ingénierie biologique, en s’appuyant notamment sur le développement d’équipements laboratoires à faible coût, l’établissement de community labs, et une collaboration avec les scientifiques militants de la communauté iGEM. L’enjeu est de faire de la biologie de synthèse une discipline de terrain, capable de faire surgir des solutions locales et, si elles sont pertinentes, de les diffuser globalement. Nous ne parlons pas ici de simples rêves, mais bel et bien de projets en cours, comme le développement d’un biocapteur pour détecter la contamination du lait à la mélamine (un problème grave en Chine), d’un détecteur bactérien de la contamination à l’arsenic ou d’un diagnostic à faible coût du paludisme.

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La biologie de synthèse aborde ainsi la prochaine étape de son développement sous deux formes très différentes : une R&D industrielle riche de promesse pour les firmes, startup ou géants, qui sauront maîtriser ses potentialités ; et une nébuleuse d’innovations collaboratives diffusées par des réseaux, des institutions et de grandes fondations. Qu’en sera-t-il dans dix ans ?

Cet article a été écrit avec l’aide de Camille Delebecque, un scientifique et entrepreneur à qui le magazine Wired a consacré un article.

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