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De la Biologie Moléculaire à la Biotique : L'essor des bio-, info- et nanotechnologies

Article publié dans le numéro spécial de « Cellular and Molecular Biology » : Biotechnologies : réalités et perspectives, vol 47, p.7-16, 2001

cellulebio2001D'importants développements scientifiques et technologiques se sont réalisés au cours des dernières années en biologie. Ils auront une importance de plus en plus grande sur les sciences du vivant et leurs applications industrielles au cours des prochaines années par l'intermédiaire des biotechnologies. Leur influence se fait notamment sentir dans la conception de nouveaux médicaments, la mise au point de tests diagnostiques, d'appareillages bioélectroniques et de services. On constate en effet que trois domaines entrent en interdépendance: le moléculaire, le numérique et le mécanique . Cette convergence se traduit par des relations toujours plus étroite entre biotechnologies, infotechnologies, nanotechnologies et microélectroniques.

IMPACT DES PROGRÈS SCIENTIFIQUES ET TECHNIQUES SUR LES RECHERCHES EN BIOLOGIE

L’impact du progrès scientifique et technique sur les recherches appliquées en biologie a pu être constaté dans des  domaines qui ont contribué à accélérer de manière significative le rythme de la recherche et la mise au point de nouveaux   produits. La chimie combinatoire, permettant la synthèse en parallèle de nombreuses molécules, a fourni aux méthodes traditionnelles de screening de nombreuses voies nouvelles pour explorer des  traitements efficaces et moins coûteux. L’aide de l’ordinateur dans la réalisation de graphisme moléculaire et dans la simulation de processus complexes a favorisé l’étude des mécanismes moléculaires de reconnaissance enzymatiques et du fonctionnement de la catalyse enzymatique. Grâce à l’ordinateur il est devenu possible, non  seulement de visualiser des molécules complexes, mais de vérifier les modifications que l’on pouvait réaliser, d’abord  en  numérique  et  ensuite  au  laboratoire. Le développement de polymères et de matériaux "intelligents" a permis la mise au point de systèmes d’administration contrôlée de  médicaments, selon des périodes et des localisations définies d’avance. Les percées réalisées dans le domaine de la génomique, de la bioinformatique et de la conception rationnelle de médicaments assistée par ordinateur, ont considérablement accéléré le développement de nouvelles classes    thérapeutiques. Enfin, l’essor des nanotechnologies, l’utilisation d’outils puissants, tels que le microscope à effet tunnel (MET), le microscope à force atomique (MFA), l’avènement des biopuces, des biotransistors et de l’électronique moléculaire, ouvrent des voies  nouvelles  pour  la  mise  au  point  de  tests  de diagnostic, de puces implantées destinées à modifier certaines  fonctions métaboliques ou à corriger des handicaps. Certaines de ces microstructures se retrouvent intégrées dans des micro-usines fonctionnelles, telles que des nanolaboratoires ou des MEMS (microelectro- mechanical systems).
Les  percées  réalisées  dans  la  mise  au  point  de nouveaux médicaments à partir du décryptage du génome humain s’appuient sur une relation toujours plus étroite entre  biologie et informatique. Le domaine désormais stratégique de la génomique apparaît, en fait, constitué de nombreux  sous ensembles. La   génomique serait impossible sans l’essor de la bioinformatique. Les différentes approches de la bioinformatique mettent en jeu la recherche de gènes dans des bases de données (genome data mining), la protéomique, (application des techniques de la génomique à l’étude  des  protéines  et  de  leurs fonctions),    la génomique  structurelle permettant d’analyser la structure tridimensionnelle des molécules codées par le génome, et enfin l’automatisation des moyens de cristallographie par rayons X. La puissance de ces outils conduit directement à la conception rationnelle de médicaments, à la définition de molécules actives fondée sur l’étude des structures des récepteurs, et bénéficient de la simulation sur ordinateur qui, grâce à la puissance des processeurs et à la taille des mémoires permet d’analyser les différents effets bénéfiques ou préjudiciables des nouvelles molécules en cours de tests. L’importante quantité d’informations résultant des études de génomique et de protéomique, nécessitent la mise en œuvre de techniques puissantes d’analyse par des biopuces dont les informations sont lues par des systèmes robotisés, tels que le système Zeus utilisé par la société Millenium.
Afin d’illustrer de manière concrète les applications et les débouchés de ces  nouvelles technologies dans le domaine du médicament ou de tests diagnostiques, il paraît opportun de donner un certain nombre d’exemples.

LES NOUVEAUX INGÉNIEURS DES GÈNES

L’évolution  des  relations  entre  l’Homme  et  les Sciences du vivant peut être envisagée en quatre grandes phases: le passage d’une biologie "descriptive" (classement des espèces), à une biologie "explicative" par suite de l’essor de la biologie moléculaire, puis "transformatrice" par le génie génétique et les biotechnologies, et désormais "impliquante" en raison des progrès de la génomique conduisant l’homme à devenir sujet et objet de ses propres expériences. De nouvelles technologies, issues principalement de la biologie moléculaire, de la chimie et de l’informatique ouvrent la voie à des médicaments et tests du futur et auront un impact profond sur les applications industrielles  des sciences de la vie.
L’approche "descriptive" de la biologie était la seule utilisée quand, lors de la découverte de la multitude des espèces  vivantes,  il  fallait  les  analyser, les  classer, rechercher les parentés. Cette approche a ses avantages: clarté,  fil  directeur,  filiations. Mais elle occulte les mécanismes fondamentaux de l’évolution biologique. La biologie de "transformation" est née avec la capacité de reprogrammer la vie. La biologie moléculaire a permis de comprendre les processus de base du fonctionnement des cellules, d’abord des bactéries, puis ensuite des cellules évoluées. Le génie génétique utilisant des enzymes de restriction, des ligases, des vecteurs de transferts a permis de créer un  véritable  langage  de  programmation moléculaire. La biologie est ainsi devenue une science de "traitement de l’information biologique" assistée par des moyens techniques puissants. Grâce aux biotechnologies, les sciences et techniques  du vivant ont acquis une dimension industrielle: la transformation des biomatériaux et des cellules se réalisant à l’échelle de la planète, de manière compétitive et concurrentielle comme pour toute industrie, conduisant à des produits intéressant l’industrie pharmaceutique, agro-alimentaire, la chimie, l’environne- ment ou le secteur de l’énergie. Avec la génomique, la transgénie, la bioinformatique, cette évolution atteint un nouveau stade: la biologie devient "impliquante". Elle questionne directement l’homme sujet et objet, ingénieur des  gènes. Nous transformons la biosphère et cette transformation nous change de manière irréversible.
Deux exemples permettent d’illustrer cette évolution désormais classique: celui de la recherche pharmaceutique pour la production de nouvelles molécules et celui la mise au point de nouveaux vaccins grâce aux biotechnologies et à la bioinformatique.
La recherche pharmaceutique moderne nécessite des moyens importants, non seulement en chimie organique, mais aussi en biologie moléculaire, génétique  ou bioinformatique. En plus du savoir-faire des chercheurs, il est indispensable de disposer d’une logistique technique de premier plan. Cette logistique peut être obtenue par la mise en  commun de matériels appartenant à plusieurs laboratoires. Par ailleurs, l’échange d’information est une des clés de la réussite. Les laboratoires français pèchent souvent par manque de communication, ce qui réduit les effets de synergie indispensables à la mise au point de nouvelles molécules. Par exemple, la chimie combinatoire ou les études de récepteurs membranaires ont mis plus longtemps à s’imposer dans la recherche pharmaceutique française que dans les laboratoires américains ou anglais. Mais  grâce à des efforts importants réalisés par les pouvoirs publics et les grandes entreprises privées dans le domaine notamment des biotechnologies, la France dispose aujourd’hui de moyens accrus,non seulement pour rester dans la course, mais aussi pour innover. Il faut savoir que ces recherches sont particulièrement longues et coûteuses. Si on prend l’exemple des nouvelles molécules issues  des biotechnologies en Europe au cours des 16 dernières années, on considère que 50 nouveaux produits proviennent des biotechnologies. 350 nouveaux médicaments sont en développement. Le coût de développement d’une nouvelle molécule est de 3 milliards de F.

Le nombre d’entreprises européennes de biotechnologies était de 716 en 1996. Elles sont aujourd’hui de 1100. La concurrence est donc sévère, particulièrement celle de l’Angleterre  qui  compte  plus  d’entreprises  innovantes dans ces domaines que la France.
La science vaccinale, quant à elle, est également transformée par l’essor des biotechnologies et des infotechnologies. Il s’agit principalement pour les premières du génie génétique, de la génomique ou de l’immunotechnologie et pour les secondes, de la bioinformatique, des réseaux de communication multimédia interactifs et des bases de données informatisées. La  vaccination  nécessite en effet une approche complexe pour maîtriser le développement et la fabrication des vaccins, les stratégies vaccinales, le suivi des vaccinations, la vaccinovigilance, le stockage dans des bases de données des informations  nécessaires aux chercheurs, formateurs, médecins, épidémiologistes, autorités sanitaires ou voyageurs.
La première phase de l’évolution des vaccins s’est effectuée grâce aux techniques classiques de la chimie et de la  biochimie. Bactéries tuées, virus atténués en ont constitué les premières étapes, suivis par les vaccins "splittés",  reconstitués, en sous-unités, associés à des adjuvants, et plus récemment par des vaccins de synthèse préparés à partir de peptides immunogènes ou de protéines obtenues par génie génétique.  La bioinformatique associée aux  biotechnologies joue désormais un rôle important en permettant par exemple de comparer dans des bibliothèques de gènes les séquences les mieux adaptées  à la synthèse et à l’expression de plusieurs antigènes différents par une souche vaccinale vivante. Ces vaccins vivants recombinants multivalents représentent une voie d’avenir. Autre approche, celle des vaccins à ADN. Les structures  antigéniques codées par les séquences d’ADN correspondantes provoquent une réponse immunitaire spécifique. L’innovation concerne également les modes  d’administration par voie non invasive, par la muqueuse nasale ou par voie orale. Ces recherches et développements nécessitent une approche pluridisciplinaire faisant appel à la génétique moléculaire, à la chimie des peptides et des acides  nucléiques, à l’immunologie, à la biologie cellulaire et bien entendu à l’informatique.
Les informations générées par les recherches et développements en vaccinologie, les essais cliniques ou les suivis épidémiologiques, nécessitent d’avoir recours à une informatique adaptée, tant pour les relations entre chercheurs que pour la mise à disposition des résultats scientifiques, techniques ou cliniques. Le réseau Internet, les bases de données avec moteurs de recherche, les cédéroms reliés à des sites Web offrent aujourd’hui une palette de moyens combinés, essentiels au développement de l’ensemble du secteur vaccinal et de ses relations avec le domaine  pharmaceutique. L’essor d’Internet  et du multimédia s’est fait en quelques années, nécessitant une formation adaptée pour les chercheurs, les étudiants, les médecins ou le personnel  hospitalier. La