La prochaine récolte biotechnologique

À première vue, une section industrielle vieillissante de Cambridge, Mass., semble un endroit étrange pour chercher l'avenir de l'agriculture. Les seules plantes sont les mauvaises herbes le long des voies ferrées et les arbustes et arbres bien entretenus qui parsèment les entrées des entreprises de haute technologie qui rajeunissent la région. Le cœur agricole des États-Unis est à des milliers de kilomètres.

Et vous ne trouverez pas de serres ou de pots de plantes expérimentales à l'intérieur de Cereon Genomics. Il ressemble à n'importe quel autre laboratoire de génétique moléculaire. Les techniciens préparent des échantillons à code-barres ; à proximité, des rangées d'instruments sophistiqués qui ont été développés à l'origine pour le séquençage des gènes humains forment une chaîne de fabrication à grande vitesse. La différence est que les matières premières pour cette usine de gènes sont souvent des extraits de plantes, et le produit est une information sur l'ADN de la plante - leurs plans génétiques.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 1998

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

Depuis son bureau du coin, Roger Wiegand lève les sourcils vers l'équipement automatisé derrière lui. Wiegand est le directeur de la technologie génomique de Cereon, la science de l'identification des gènes et de leurs fonctions. Il n'y a peut-être pas de verdure autour, mais pour un biologiste moléculaire de longue date, dit Wiegand, diriger le laboratoire de Cereon, c'est comme être un enfant dans une fabrique de bonbons.

L'enthousiasme est basé sur la conviction que les informations génétiques récoltées à Cereon - et dans d'autres laboratoires de génomique végétale qui poussent dans le monde - contribueront à amorcer une transformation biotechnologique de l'agriculture. Monsanto, le géant agricole et pharmaceutique basé à Saint-Louis, s'est engagé à la fin de l'année dernière à dépenser plus de 200 millions de dollars pour créer Cereon, une filiale en propriété exclusive qu'il a formée dans le cadre d'une alliance avec le chasseur de gènes Millennium Pharmaceuticals. L'accord est l'une des initiatives les plus audacieuses de la transformation de Monsanto en une entreprise des sciences de la vie. (En juin, Monsanto a annoncé son intention de fusionner avec American Home Products.) Et cela reflète la conviction profonde de l'ancienne entreprise chimique qu'elle peut tirer parti de la connaissance croissante des gènes dans les grandes entreprises et, ce faisant, changer la façon dont les agriculteurs et les consommateurs pensent les plantes.

D'autres entreprises partagent cette vision. Plusieurs autres géants de la chimie et du médicament, notamment DuPont et Novartis (la société suisse issue de la fusion de Ciba et Sandoz en 1996), ont englouti des milliards dans le rêve. Si ces entreprises ont raison, d'ici cinq ans, les agriculteurs planteront du coton naturellement coloré pour réduire le besoin de teinture, ainsi que des cultures qui abritent du plastique. Les producteurs seront armés de cultures à rendement plus élevé et résistantes aux insectes. Les consommateurs achèteront dans les rayons des supermarchés des aliments plus sains et plus nutritifs provenant de plantes génétiquement modifiées. À l'avenir, les enfants recevront des vaccins par le biais de bananes ou d'autres aliments, évitant ainsi la terreur des aiguilles (voir Rendre les aiguilles inutiles ,).

Des usines dans les champs

les premières cultures transgéniques ont été plantées à grande échelle aux États-Unis il y a deux ans et se sont rapidement implantées dans l'économie. Cette année, les plantes génétiquement modifiées représenteront environ 15 pour cent de la récolte de maïs aux États-Unis, environ 30 pour cent de la récolte de soja et plus de la moitié de la production de coton. Cette première génération a été engendrée par l'astuce relativement simple d'insérer un gène d'une bactérie dans une plante pour produire un seul trait ; les résultats de ces travaux incluent du maïs et du coton résistants à des parasites spécifiques, ainsi que des cultures qui tolèrent plusieurs types d'herbicides.

Bien que ce modeste bricolage génétique puisse sembler quelque chose en deçà d'une révolution biotechnologique, les cultures génétiquement modifiées ont pris d'assaut les agriculteurs. Les gens sont surpris de l'importance des premiers gènes, déclare Anthony Cavalieri, vice-président de Pioneer Hi-Bred International, basé à Des Moines, l'un des principaux vendeurs de semences et un partenaire commercial de DuPont. Et ce n'est que le bord avant. Cela pourrait être fondamental pour le fonctionnement de l'ensemble du secteur agricole.

En effet, le véritable gain devrait se produire au cours des prochaines années, car les biologistes végétaux commenceront non seulement à insérer plus de gènes dans les plantes, mais aussi à redessiner les plans génétiques - et à rediriger les voies métaboliques - de nombreuses cultures courantes. La vision est de recâbler les usines en unités de production bon marché qui peuvent tout cultiver, des aliments modifiés aux vaccins humains en passant par les produits chimiques de base. La récompense pour l'ingénierie de ces caractères de sortie dans les plantes ? Selon John Pierce, responsable de la recherche exploratoire en agriculture chez DuPont, cela pourrait signifier obtenir une part des marchés industriels et alimentaires d'une valeur de 500 milliards de dollars par an.

Même pour les entreprises géantes, ce ne sont pas de petites pommes de terre. Monsanto, pour sa part, travaille sur une pomme de terre à haute teneur en solides, ainsi que sur du canola et du soja à teneur en huile modifiée. Une souche de canola, par exemple, est riche en bêta-carotène pour lutter contre la carence en vitamine A, qui reste un problème dans de nombreux pays en développement.

Au cours des prochaines années, DuPont prévoit de commencer à commercialiser des semences de soja à huile modifiée ainsi que de soja à haute teneur en saccharose. En collaboration avec son partenaire Pioneer, DuPont a une demi-douzaine de cultures biotechnologiques sur le point de commercialiser et prévoit d'introduire des plantes avec plusieurs traits empilés ensemble. La société travaille également sur des cultures riches en protéines et en huile pour l'alimentation animale (environ 80 pour cent du maïs américain est donné aux animaux).

La nourriture pour les humains et les animaux de ferme est une grosse affaire. Mais une prime encore plus lucrative pourrait éventuellement provenir de la culture de plantes biotechnologiques qui fabriquent des matériaux et des produits industriels très prisés directement dans la plante. Pourquoi fabriquer des teintures synthétiques pour le coton en utilisant des produits chimiques hautement toxiques, alors que les plantes elles-mêmes pourraient être génétiquement modifiées pour produire des fibres colorées ? Pourquoi ne pas transformer les plantes en usines chimiques ?

Des biologistes végétaux de Monsanto et une start-up de Cambridge, Mass., nommée Metabolix, travaillent séparément sur un plastique cultivé dans des plantes qui pourrait être prêt pour les agriculteurs dès 2002. Prodigene, une College Station de deux ans, Texas, spin-off de Pioneer, commercialise déjà des enzymes industrielles cultivées dans du maïs transgénique et développe d'autres produits industriels à base de protéines. D'autres laboratoires tentent de créer des usines qui produisent des huiles spéciales qui pourraient servir de nouveaux ingrédients industriels pour les revêtements et les lubrifiants. Également sur la planche à dessin, des vaccins comestibles à base de plantes contre des maladies telles que l'hépatite et la diarrhée.

En bricolant le contrôle et l'activité des gènes, vous pouvez fabriquer à peu près tout dans les plantes, explique David Wheat, consultant de longue date en biotechnologie végétale et président du groupe Bowditch basé à Boston. En comprenant le fonctionnement d'un organisme au niveau moléculaire, vous pouvez concevoir de nouveaux types de produits, voire même fabriquer des produits que vous n'avez jamais vus auparavant.

Arithmétique simple

Les perspectives de la biotechnologie agricole sont suffisamment alléchantes pour contribuer à une restructuration massive des industries agricoles et chimiques qui, dans certains cas, brouille les frontières entre les deux (voir Semer une nouvelle industrie, encadré). Monsanto et DuPont, en particulier, ont creusé profondément les nouvelles opportunités, engloutissant des fournisseurs de semences et des start-ups de biotechnologie végétale. Poussé en grande partie par le potentiel de la biotechnologie, Monsanto a abandonné l'année dernière sans ménagement son activité chimique, faisant de la biologie la vague du futur. À son tour, DuPont s'est réorganisé ce printemps, formant un groupe de sciences de la vie (qui comprend ses activités agricoles, pharmaceutiques et biotechnologiques) et déclarant que sa croissance future réside dans l'intégration de la chimie et de la biotechnologie.

Même Dow Chemical, l'énorme fabricant de produits chimiques, a professé son désir d'être un acteur majeur de la biotechnologie, ciblant le développement des plastiques et des produits chimiques industriels. C'est une technologie dont l'heure est venue, déclare Fernand Kaufmann, vice-président des nouvelles entreprises et du développement stratégique de Dow. Kaufmann prévient, cependant, qu'il faudra du temps pour que les produits chimiques végétaux fassent une brèche sur les énormes marchés des matières premières, qui sont dominés par les produits à base de pétrole.

Bases de données ADN

au cours des prochaines années, la production à grande échelle de plastique restera dans l'usine, pas sur le terrain. Même dans les projets de recherche les plus avancés de DuPont pour les matériaux à base de plantes, concède l'Irlande, les scientifiques sont toujours en train de démêler les voies enzymatiques tout en développant simultanément toute la chimie des polymères. Personne ne comprend vraiment comment contrôler et réguler l'expression des gènes des plantes.

Mais si la génomique végétale continue de s'accélérer à son rythme actuel, il peut devenir beaucoup plus facile d'atteindre cet objectif. Les cultures les plus courantes ont une grande quantité d'ADN et environ 50 000 gènes, soit environ la moitié du nombre chez l'homme. Mais en utilisant des machines automatisées rapides et perfectionnées pour démêler le génome humain, les phytogénéticiens identifient les gènes plus rapidement que les botanistes ne savent comment les cultiver.

Scott Tingey, directeur du programme de génomique de DuPont, affirme que la technologie a eu un impact profond sur le domaine. Il y a quelques années, il fallait deux années-homme pour cloner un gène végétal, dit Tingey. Environ la moitié du temps vous avez réussi, l'autre moitié vous êtes tombé sur votre visage. Aujourd'hui, la vie est très différente. Au cours des deux dernières années, DuPont a créé une base de données de séquences d'ADN pour le maïs, le soja, le blé et le riz. Il élimine le processus fastidieux de découverte de gènes. Ce n'est plus l'étape limitante d'un projet, explique Tingey.

Les biologistes prévoient d'achever le séquençage d'Arabidopsis (une mauvaise herbe qui est le principal modèle génétique de la génétique végétale) d'ici 2000, à la suite d'une collaboration internationale qui a débuté en 1989. Cela pourrait être crucial car toutes les plantes à fleurs ont essentiellement le même ensemble de gènes. . Au cours des cinq prochaines années, nous connaîtrons la fonction de tous les gènes végétaux à un certain niveau, prédit Somerville de Stanford. C'est un changement majeur. Nous serons bien mieux placés pour apporter des améliorations rationnelles aux usines.

De retour à Cereon nouvellement formé, l'un des objectifs est de transformer le séquençage de matériel génétique intéressant en une chaîne de production de routine à haut débit. En particulier, l'entreprise souhaite accélérer le processus de recherche d'une séquence d'ADN responsable d'un phénotype spécifique ou d'un trait physique. Nous mettons en place des systèmes qui permettront aux généticiens moléculaires de passer d'un phénotype d'intérêt à un gène cloné, et de connaître la séquence de ce trait, en très peu de temps, explique le président de Cereon, William Timberlake. Il faut maintenant des années pour obtenir certains de ces gènes, explique Timberlake. Nous aimerions réduire cela à des semaines ou des mois.

Mais rassembler toutes ces informations génétiques n'est que la première étape. Oliver Peoples, co-fondateur de Metabolix, explique : Que faites-vous de toutes les informations génétiques issues de la génomique ? Vous commencez à concevoir des voies pour optimiser le flux de carbone. C'est l'utilisation finale de la génomique, c'est le puzzle ultime. En d'autres termes, le rêve est de contrôler tout le métabolisme d'une plante.

Les entreprises qui ont l'intention de transformer les plantes cultivées en usines travaillent sur certaines étapes préliminaires. DuPont a l'intention d'affiner ses compétences en biologie en fabriquant un intermédiaire plastique à partir de sucre en utilisant des microbes génétiquement modifiés dans un processus de fermentation. L'intermédiaire est l'ingrédient clé d'un nouveau polymère qui pourrait concurrencer le nylon, et la société prévoit d'avoir une installation de production à petite échelle opérationnelle d'ici la fin de l'année 2000. Ce sera la première tentative de DuPont d'un processus de production biologique, et, dit Dorsch, cela guidera les plans de l'entreprise pour utiliser la biologie pour fabriquer des matériaux.

Contre un mur du bureau de Dorsch se trouve un diagramme cartographiant les voies métaboliques d'une bactérie. Cela ressemble à un organigramme de génie chimique - le genre que vous voyez partout chez DuPont - mais c'est beaucoup plus complexe. L'idée, dit Dorsch, est de tirer parti des flux naturels de carbone dans l'organisme et de concevoir des changements subtils qui vous permettent de siphonner un produit souhaité. Les organismes sont déjà réglés pour fonctionner très bien. Si vous essayez de déplacer une fraction importante du carbone par une voie différente, vous devez complètement repenser la bête. Je ne pense pas que nous soyons assez audacieux pour croire que c'est quelque chose qui va arriver de si tôt. Il ajoute rapidement, Mais nous pourrions y arriver.

Les laboratoires de recherche DuPont à la périphérie de Wilmington, Del., sont un terrain sacré pour les scientifiques et les chimistes des polymères. Ils sont le point zéro de la chimie industrielle américaine moderne, l'endroit où le nylon a été inventé. Et la chimie du pétrole a longtemps régné ici. Maintenant, dit l'Irlande, la biologie revitalise la recherche. Les chimistes des polymères sont enthousiasmés parce qu'ils voient les possibilités inhérentes à la science. Les biologistes sont enthousiastes car ils voient l'opportunité d'utiliser leurs talents pour faire beaucoup d'argent pour l'entreprise.

Les colonnes de distillation imposantes sont encore plus courantes que les champs de maïs à Wilmington. Mais si DuPont et ses concurrents réussissent, le fossé entre les marchés agricoles et l'industrie chimique pourrait bientôt être sur le point de se combler. En effet, le fossé entre la chimie industrielle et la biologie existe déjà.

cacher