biotechnologie

Épaissie lors de la fabrication du fromage

Bioréacteur de mousse

La biotechnologie ( grec ancien βίος bíos , allemand , Vie ' ; comme synonyme de biotechnologie et brièvement comme Biotech ) est une science interdisciplinaire qui traite de l'utilisation d' enzymes , de cellules et d' organismes entiers dans les applications techniques concernées. Les objectifs comprennent le développement de procédés nouveaux ou plus efficaces pour la production de composés chimiques et de méthodes de diagnostic .

En biotechnologie, les résultats de nombreux domaines, tels que la microbiologie , la biochimie ( chimie ), la biologie moléculaire , la génétique , la bioinformatique et l' ingénierie avec le génie des procédés ( génie des bioprocédés ), sont utilisés. Elle repose sur des réactions chimiques catalysées par des enzymes libres ou présentes dans les cellules ( biocatalyse ou bioconversion ). La biotechnologie apporte d'importantes contributions au processus de biologisation .

Des applications biotechnologiques classiques ont été développées il y a des milliers d'années, telles que B. la production de vin et de bière avec de la levure et la transformation du lait en divers aliments à l'aide de certains micro - organismes ou enzymes. Depuis le 19ème siècle, la biotechnologie moderne a de plus en plus recours aux connaissances et méthodes microbiologiques et, depuis le milieu du 20ème siècle, également à la biologie moléculaire , à la génétique et au génie génétique . Cela permet d'utiliser des procédés de fabrication de composés chimiques, par ex. Par exemple, comme ingrédient actif pour les produits pharmaceutiques ou comme produits chimiques de base pour l' industrie chimique , des méthodes de diagnostic , des biocapteurs , de nouvelles variétés végétales à développer et plus encore.

Les procédés biotechniques peuvent être utilisés de différentes manières dans une grande variété de domaines. Dans certains cas, des tentatives sont faites pour trier ces processus selon les domaines d'application, tels que B. Médecine ( biotechnologie rouge ), plantes ou agriculture ( biotechnologie verte ) et industrie ( biotechnologie blanche ). Parfois, une distinction est également faite selon les êtres vivants auxquels les méthodes sont appliquées, comme dans la biotechnologie bleue ou la biotechnologie jaune, qui fait référence aux applications dans la vie marine ou les insectes.

histoire

Il y a eu des applications biotechniques depuis des milliers d'années, telles que B. la production de bière et de vin . Le contexte biochimique était initialement largement incertain. Avec les progrès de diverses sciences, telles que la microbiologie en particulier, au 19ème siècle, la biotechnologie a été traitée scientifiquement, c'est-à-dire que la biotechnologie a été développée. Des possibilités d'applications biotechniques optimisées ou nouvelles ont été ouvertes. D'autres étapes importantes ont été la découverte de l'acide désoxyribonucléique (ADN ou ADN) dans les années 1950, la compréhension croissante de son importance et de sa fonction, et le développement ultérieur de méthodes de laboratoire de biologie moléculaire et de génie génétique .

Premières applications biotechniques

Les premières applications de la biotechnologie, qui sont connues depuis plus de 5000 ans, sont la production de pain , de vin ou de bière ( fermentation alcoolique ) en utilisant les champignons appartenant à la levure . En utilisant des bactéries lactiques , du levain (pain aigre ) et des produits à base de lait aigre tels que le fromage , le yaourt , le lait aigre ou le kéfir pourraient également être produits. L'une des premières applications biotechniques en dehors de la nutrition était le tannage et la coloration des peaux à l'aide d' excréments et d'autres matériaux contenant des enzymes pour fabriquer du cuir . Une grande partie de la biotechnologie reposait sur ces procédés de production jusqu'au Moyen Âge, et vers 1650, le premier procédé biotechnologique de production de vinaigre a émergé .

Développement de la microbiologie

Louis Pasteur isole pour la première fois des bactéries acétiques et de la levure de bière.

La biotechnologie moderne repose essentiellement sur la microbiologie , qui a émergé dans la seconde moitié du XIXe siècle. Surtout, le développement des méthodes de culture , de culture pure et de stérilisation par Louis Pasteur a posé les bases de l'investigation et de l'application ( microbiologie appliquée ) des micro - organismes . En 1867, Pasteur a pu isoler les bactéries de l'acide acétique et la levure de bière en utilisant ces méthodes . Vers 1890, lui et Robert Koch ont développé les premières vaccinations sur la base d' agents pathogènes isolés et ont ainsi jeté les bases de la biotechnologie médicale . Le japonais Jōkichi Takamine a été le premier à isoler une seule enzyme à usage technique, l' alpha-amylase . Quelques années plus tard, le chimiste allemand Otto Röhm utilisait des protéases animales (enzymes dégradant les protéines) issues de déchets d' abattoirs comme détergents et auxiliaires pour la production de cuir .

La biotechnologie au XXe siècle

La production à grande échelle de butanol et d' acétone par fermentation de la bactérie Clostridium acetobutylicum a été décrite et développée en 1916 par le chimiste et plus tard le président israélien Charles Weizmann . C'était le premier développement de la biotechnologie blanche . Le procédé a été utilisé jusqu'au milieu du 20e siècle, mais a ensuite été remplacé par la synthèse pétrochimique plus économique à partir de la fraction propène du pétrole brut . La production d' acide citrique a été réalisée à partir de 1920 par fermentation en surface du champignon Aspergillus niger . En 1957, l' acide aminé glutamique a été produit pour la première fois à l'aide de la bactérie du sol Corynebacterium glutamicum .

Alexander Fleming sur timbre-poste

En 1928/29, Alexander Fleming a découvert la première pénicilline antibiotique médicalement utilisée dans le champignon Penicillium chrysogenum . En 1943 , l' antibiotique streptomycine suivi par Selman Waksman , Albert Schatz et Elizabeth Bugie . En 1949, la production de stéroïdes a été mise en œuvre à l'échelle industrielle. Au début des années 1960, des protéases dérivées de la biotechnologie ont été ajoutées aux détergents pour la première fois pour éliminer les taches de protéines . En fromagerie , la présure de veau est remplacée depuis 1965 par la présure produite dans des micro - organismes . À partir de 1970, des amylases et d'autres enzymes de fractionnement de l'amidon ont pu être produites par voie biotechnologique , avec lesquelles z. B. amidon de maïs dans le soi-disant "sirop de maïs à haute teneur en fructose", donc sirop de maïs , transformé et utilisé comme substitut du sucre de canne ( saccharose ), z. B. dans la production de boissons pourrait être utilisé.

La biotechnologie moderne depuis les années 1970

Modèle structurel d'une section de la double hélice d'ADN (forme B) avec 20 appariements de bases

Élucidation de la structure de l'ADN

En 1953, Francis Crick et James Watson ont clarifié la structure et la fonctionnalité de l'acide désoxyribonucléique (ADN). Cela a jeté les bases du développement de la génétique moderne.

Depuis les années 1970, il y a eu un certain nombre de développements centraux dans la technologie de laboratoire et d'analyse. En 1972, par exemple, les biologistes Stanley N. Cohen et Herbert Boyer ont utilisé des méthodes de biologie moléculaire pour réaliser la première recombinaison in vitro de l'ADN (changement de l'ADN dans le tube à essai ), ainsi que la production de vecteurs plasmidiques comme outil pour le transfert (un vecteur ) de matériel génétique , par ex. B. dans les cellules bactériennes.

César Milstein et Georges Köhler ont produit pour la première fois des anticorps monoclonaux en 1975 , qui sont un outil important dans le diagnostic médical et biologique . Depuis 1977, les protéines recombinantes ( protéines dérivées à l'origine d'autres espèces ) peuvent être fabriquées dans des bactéries et produites à plus grande échelle. En 1982, les premières cultures transgéniques avec une résistance aux herbicides génétiquement modifiés ont été produites, de sorte que l' herbicide en question épargne la culture lorsque des mesures de protection des plantes sont prises. La même année, des souris knock-out ont été créées pour la recherche médicale. Avec eux, au moins un gène est inactivé afin de comprendre et d'étudier sa fonction ou la fonction du gène homologue chez l'homme.

Séquençage du génome

C'est en 1990 qu'a été lancé le Human Genome Project , qui jusqu'en 2001 (ou 2003 dans les normes envisagées) l'ensemble du génome humain de 3,2 × 10 ⁹ décrypte les paires de bases (pb) et l'a séquencé . La technique de séquençage est basée directement sur la réaction en chaîne par polymérase (PCR) développée en 1975 , qui permet une augmentation rapide et plus de 100 000 fois supérieure de certaines séquences d'ADN et donc des quantités suffisantes de cette séquence, par ex. B. pour l'analyse mise à disposition. Dès 1996, celui de la levure de boulanger ( Saccharomyces cerevisiae ) avec 2 × 10 ⁷ pb a été complètement élucidé comme le premier génome . Le développement rapide de la technologie de séquençage a permis de séquencer relativement rapidement d' autres génomes, comme celui de la mouche des fruits Drosophila melanogaster (2 × 10 ⁸ pb) en 1999 .

La détermination des séquences du génome a conduit à l'établissement d'autres domaines de recherche basés sur celles-ci, tels que la transcriptomique , la protéomique , la métabolomique et la biologie des systèmes et à une augmentation de l'importance, par ex. B. bioinformatique .

Applications du génie génétique

En 1995, le premier produit transgénique, la tomate Flavr Savr, est arrivé sur le marché et a été autorisé à la vente aux États-Unis et en Grande-Bretagne. Les premières tentatives de thérapie génique chez l' homme ont été faites en 1996 et les cellules souches humaines ont été propagées pour la première fois en culture cellulaire en 1999 . La même année, le volume du marché des protéines produites par recombinaison dans l' industrie pharmaceutique a dépassé pour la première fois la valeur de 10 milliards de dollars US. La brebis clonée Dolly est née en 1998.

Les méthodes de génie génétique nouvellement développées ont ouvert de nouvelles opportunités de développement pour la biotechnologie, ce qui a conduit à l'émergence de la biotechnologie moléculaire. Elle constitue l'interface entre la biologie moléculaire et la biotechnologie classique. Les techniques importantes sont par ex. B. la transformation ou la transduction de bactéries à l'aide de plasmides ou de virus . Certains gènes peuvent être introduits dans des types appropriés de bactéries de manière ciblée. D'autres domaines d'application de la biotechnologie moléculaire sont les méthodes analytiques, par exemple pour l'identification et le séquençage de fragments d' ADN ou d' ARN .

Branches de la biotechnologie

La biotechnologie est un terme très large. Elle est donc divisée en différentes branches selon les domaines d'application respectifs. Certains d'entre eux se chevauchent, de sorte que cette subdivision n'est pas toujours claire. Dans certains cas, les termes ne sont pas encore établis ou sont définis différemment.

La biotechnologie verte concerne les applications à base de plantes telles. B. à des fins agricoles. La biotechnologie rouge est le domaine des applications médico-pharmaceutiques telles. B. la fabrication de médicaments et de diagnostics. La biotechnologie blanche ou biotechnologie industrielle comprend des procédés de production biotechnologique, notamment pour les composés chimiques dans l' industrie chimique , ainsi que des procédés dans l' industrie textile ou alimentaire .

Les divisions dans les domaines de la biotechnologie bleue , qui traite de l'utilisation des organismes de la mer, et de la biotechnologie grise avec des procédés biotechnologiques dans le domaine de la gestion des déchets ( stations d'épuration , décontamination des sols, etc.) sont moins courantes .

Indépendamment de cette classification, il existe une biotechnologie connue sous la forme conventionnelle , qui traite du traitement des eaux usées , du compostage et d'autres applications similaires.

Méthodes de production

Organismes

La bactérie Escherichia coli est l'un des organismes les plus fréquemment utilisés en biotechnologie.

Dans la biotechnologie moderne, on utilise maintenant à la fois des bactéries et des organismes supérieurs tels que des champignons , des plantes ou des cellules animales . Des organismes fréquemment utilisés ont souvent déjà fait l'objet de recherches approfondies, comme la bactérie intestinale Escherichia coli ou la levure de boulanger Saccharomyces cerevisiae . Des organismes bien documentés sont souvent utilisés pour des applications biotechnologiques car ils sont bien connus et des méthodes pour leur culture ou leur manipulation génétique ont déjà été développées. Des organismes simples peuvent également être modifiés génétiquement avec moins d'efforts .

De plus en plus, les organismes supérieurs ( eucaryotes multicellulaires ) sont également utilisés en biotechnologie. La raison en est, par exemple, la capacité d'apporter des modifications post-traductionnelles aux protéines qui z. B. n'a pas lieu dans les bactéries. Un exemple de ceci est la glycoprotéine - hormone érythropoïétine , sous l'abréviation EPO en tant qu'agents dopants connus. Cependant, les cellules eucaryotes se développent plus lentement que les bactéries et sont plus difficiles à cultiver pour d'autres raisons. Dans certains cas, les plantes pharmaceutiques cultivées au champ, en serre ou en photobioréacteur peuvent être une alternative à la production de ces biopharmaceutiques .

Bioréacteurs

Les microorganismes en particulier peuvent être cultivés dans des bioréacteurs ou des fermenteurs . Ce sont des conteneurs dans lesquels les conditions sont contrôlées et optimisées pour que les micro-organismes cultivés produisent les substances souhaitées. Dans les bioréacteurs, divers paramètres , tels que B. Le pH , la température , l'alimentation en oxygène , l'alimentation en azote , la teneur en glucose ou les réglages de l'agitateur peuvent être réglés. Les micro-organismes pouvant être utilisés ayant des exigences très différentes, des types de fermenteurs très différents sont disponibles, tels que B. agité réacteurs à réservoir , des réacteurs à boucle , des réacteurs de pont aérien , ainsi que de transmission de lumière photobioréacteurs pour la culture d' organismes photosynthétiques (comme les algues et les plantes).

Applications

Centre Max Delbrück de médecine moléculaire à Berlin

Voir les paragraphes correspondants dans les articles : White Biotechnology , Red Biotechnology , Green Biotechnology , Grey Biotechnology et Blue Biotechnology

Du fait de la diversité des biotechnologies, de nombreux domaines d'applications et de produits y sont liés ou en dépendent :

• Technologies d'anticorps : production par ex. B. d'anticorps monoclonaux pour diverses méthodes de diagnostic dans les applications et la recherche médicales et biologiques
• Bioélectronique : Relier la biologie et l'électronique, par ex. B. pour le développement de biocapteurs
• Bioinformatique : traitement des données générées à l'aide de méthodes biotechnologiques, telles que B. séquençage du génome obtenu ; mais aussi la base du développement de nouvelles méthodes et applications biotechnologiques
• Génie des bioprocédés : mise en œuvre d'applications biotechnologiques telles que B. Développement de procédés de fermentation
• Biorestauration : Enlèvement des sites contaminés , tels que B. composés organiques toxiques dans les sols, en utilisant les capacités biochimiques, par ex. B. de bactéries
• Technologie des puces à ADN : Utilisation de ce que l'on appelle des puces à ADN pour des dépistages approfondis , par ex. B. en génétique (p. ex. diagnostic de maladies héréditaires), génie génétique, etc.
• Traitement en aval : préparation (purification) de composés produits de manière biotechnologique, par ex. B. à partir de procédés ou d'approches de fermentation
• Carburant éthanol : Production du biocarburant bioéthanol , par ex. B. à partir d'amidon de maïs, avec l'aide de micro-organismes qui opèrent la fermentation alcoolique, et d'enzymes qui améliorent le flux de processus
• Développement de tests génétiques : par ex. B. Détection de mutations qui causent les maladies héréditaires telles que de Huntington la maladie
• Thérapie génique : ex. B. Introduction d'un variant de gène intact pour l'élimination temporaire ou permanente d'un défaut génétique
• Clonage : par ex. B. le clonage thérapeutique afin de générer des organes de remplacement in vitro pour le patient dont les cellules d'origine proviennent des cellules obtenues
• Technologies de clonage (clonage) : transfert d'une séquence d'ADN spécifique dans un organisme, par ex. B. le gène de l'insuline humaine dans une bactérie, pour la production recombinante d'insuline
• Applications criminalistiques (voir aussi empreinte génétique ) : Identification d'un contrevenant sur la base de l'examen des traces à l'aide de méthodes biotechnologiques
• Nanobiotechnologie (voir aussi Nanotechnologie )
• Nutrigénomique : ex. B. Développement d' aliments fonctionnels pour la prévention médicale
• Pharmacogénomique : Développement de thérapies médicamenteuses individualisées (optimisées), par ex. B. pour des populations spécifiques ou des parties de la population
• Biotechnologie pharmaceutique (branche de la biotechnologie rouge)
• Ingénierie des protéines : conception ciblée de protéines modifiées ou nouvelles pour des applications spécifiques
• Thérapie par cellules souches : Utilisation de cellules souches omnipotentes ou pluripotentes pour traiter diverses maladies
• Ingénierie tissulaire ou ingénierie tissulaire : Production in vitro de tissus destinés à la médecine régénérative
• Technologies transgéniques
• Xénotransplantation : le transfert de cellules ou de tissus entre différentes espèces
• Cellulose-éthanol : Production de bioéthanol à partir de cellulose, qui n'était auparavant pas accessible efficacement par voie enzymatique, en utilisant des enzymes produites par recombinaison
• et beaucoup plus m.

perspective

De nombreuses applications de la biotechnologie reposent sur une bonne compréhension du fonctionnement des organismes. Grâce à de nouvelles méthodes et approches, telles que B. le séquençage du génome et les domaines de recherche connexes tels que la protéomique, la transcriptomique, la métabolomique, la bioinformatique, etc., cette compréhension est en constante évolution. De plus en plus d'applications médicales sont possibles.Dans la biotechnologie blanche , certains composés chimiques, par ex. B. à des fins pharmaceutiques ou comme matière première pour l'industrie chimique, et les plantes peuvent être optimisées pour certaines conditions environnementales ou leur utilisation prévue. Souvent, les applications précédentes peuvent être remplacées par des procédés biotechniques plus avantageux, tels que. B. procédés de fabrication de produits chimiques nocifs pour l'environnement dans l'industrie. On s'attend donc à ce que la croissance de l'industrie de la biotechnologie se poursuive à l'avenir.

Voir également

• Centre de biotechnologie Münster

Littérature

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• Volkart Wildermut : Biotechnologie. Entre progrès scientifique et frontières éthiques. Parthas Verlag, 2006, ISBN 3-86601-922-X .
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liens web

Wiktionnaire : biotechnologie  - explications de sens, origines des mots, synonymes, traductions

• biotechnologie.de - Une initiative du Ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (BMBF) sur le thème de la biotechnologie comprenant une définition de « Qu'est-ce que la biotechnologie ?
• NCBI , site Web du National Center for Biotechnology Information (NCBI), National Institute of Health, National Library for Medicine, accès aux données (y compris les séquences complètes du génome), fonctions de recherche et programmes standard pour les comparaisons de séquences, etc.
• Transgen - Transparence pour le génie génétique dans les denrées alimentaires , page d'information du Forum Bio- und Genechnologie - Association pour la promotion de la culture de discussion sociale e. V. consulté le 22 février 2010
• Sujet biotechnologie - information de l' Office fédéral de l'environnement OFEV

Preuve individuelle

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2. ↑ ^{a b c d} biotechnologie. Priorité de financement du BMBF : Production biologique durable. Page d'information du partenaire du projet Forschungszentrum Jülich. (www.fz-juelich.de ( Memento du 20 septembre 2005 dans Internet Archive ), consulté le 22 février 2010).
3. ↑ biotechnologie jaune. Consulté le 3 mars 2017 . 
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5. ↑ Technical University of Munich (TUM) : Molecular Biotechnology , description du cours, consulté le 21 février 2010.
6. ↑ P. Kafarski : Rainbow Code of Biotechnology . CHIMIQUE. Université de Wroclaw, 2012.
7. ^ Eva L. Decker, Ralf Reski : Bioréacteurs de mousse produisant des produits biopharmaceutiques améliorés. Dans : Opinion actuelle en biotechnologie. Tome 18, 2007, p. 393-398. doi: 10.1016 / j.copbio.2007.07.012 .
8. ↑ Enquête 2009 auprès des entreprises de biotechnologie ( Memento du 28 mars 2010 dans Internet Archive ), page d'information du Ministère fédéral de l'éducation et de la recherche (BMBF), consultée le 22 février 2010.