Les biotechnologies blanches

La biotechnologie blanche décrit l’utilisation de systèmes biologiques comme alternative aux catalyseurs chimiques classiques. En d’autres termes des enzymes, extraits cellulaires ou des micro-organismes entiers sont utilisés dans des procédés industriels qui conduisent à la production d'une grande variété de produits tels que carburants, dissolvants, et de tous les produits à dominante chimique (1). Bien que le terme biotechnologie blanche soit une invention linguistique récente, l'utilisation d'enzymes et de micro-organismes pour la production d'articles essentiels tels que les aliments et les matériaux a une longue histoire, remontant parfois à plusieurs milliers d'années. Par exemple, on pense que l'utilisation de la levure comme biocatalyseur dans la fabrication du pain a débuté vers 10 000 avant J.-C.

Le processus ABE

La production microbienne d'acétone et de butanol utilisant la bactérie Clostridium acetobutylicum, mise au point par Chaim Weizmann, a été l'un des premiers processus de fermentation industrielle à grande échelle à partir de 1916 (2). Pendant la première partie du 20ème siècle, c'était en effet le deuxième le plus grand processus de fermentation, remplacé en importance seulement par la fermentation d'éthanol. Après un déclin rapide après les années 1950, la fermentation acétone-butanol-éthanol (ABE) a récemment suscité un regain d'intérêt dans le contexte des approches de la bioraffinerie pour la production de carburants et de produits chimiques à partir de ressources renouvelables tels que l’amidon et les sucres.

 

Cependant, la tolérance des microorganismes à des concentrations élevées de solvants reste un défi majeur. Des concentrations élevées sont nécessaires pour réduire les coûts de purification, mais sont préjudiciables à la survie et à la productivité des cultures (3). Par conséquent, pour déployer avec succès des procédés industriels microbiens, il est nécessaire d'obtenir des microorganismes adaptés à l'industrie présentant des performances métaboliques supérieures et répondant ainsi aux spécifications industrielles en termes de coûts de charges, de rendement et de productivité, et de compatibilité avec les procédés en aval (4).

Les détergents

Depuis 1960, les enzymes ont efficacement aidé le développement et l'amélioration des détergents domestiques et industriels modernes. Au début, il s‘agissait exclusivement des protéases, qui éliminent les taches dues aux protéines, telles que celles contenues dans les œufs, le lait, l‘herbe et le sang. Au cours de ces dernières années, de nouveaux types d‘enzymes sont apparus sur le marché pour améliorer l'efficacité du détergent, notamment les amylases, qui dégradent les hydrates de carbone, cellulases dégradant les fibres et les lipases, qui décomposent les graisses. En plus d'augmenter le niveau de nettoyage, ils ont également apporté des avantages environnementaux en réduisant la consommation d'énergie grâce à des temps de lavage plus courts, des températures de lavage plus basses et une consommation d'eau réduite.

 

Beaucoup des nouvelles enzymes ont été produites en utilisant des techniques de mutagenèse dirigée et/ou de mutagenèse aléatoire pour obtenir des protéases ayant une stabilité et/ou une spécificité de substrat uniques à un pH et une température élevés (5). Des bactéries du genre Bacillus sont le plus souvent utilisés pour la production de ces enzymes.

Les plastiques biodégradables

Les plastiques biodégradables offrent une solution pour protéger l'environnement contre les dangers causés par les plastiques conventionnels à base de pétrole. Il existe de nombreux types de plastiques biodégradables avec différents degrés de biodégradabilité. La famille des polyhydroxyalcanoates (PHA) se compose d'un grand nombre de polyesters biodégradables produit par les organismes vivants comme réservoir de carbone et d'énergie. Parmi eux, les polyhydroxybutyrates (PHB) sont les seuls 100% biodégradables car ils sont complètement et rapidement dégradés par les bactéries dans le sol ou l'eau.

 

En croissance sur le glucose, la bactérie Ralstonia eutropha peut absorber jusqu'à 85% de son poids sec en PHB, ce qui fait de ce micro-organisme une usine bioplastique miniature. Cependant, un problème majeur pour la production extensive et la commercialisation des PHB est leur coût de production élevé par rapport aux plastiques dérivés des produits pétrochimiques. Récemment, beaucoup d'efforts ont été déployés pour réduire les coûts de production du PHB en développant des souches bactériennes efficaces (6). Les souches de R. eutropha modifiées sont capables de produire des PHA avec différentes longueurs de chaîne, ce qui entraîne des propriétés physiques, biologiques et chimiques différentes. Ces PHA, lorsqu'elles sont dépolymérisées, peuvent également servir de précurseurs chiraux précieux pour les antibiotiques, les vitamines, les parfums et les phéromones (7).

 

Ces gènes ont été clonés et transférés à des espèces à croissance rapide, comme Escherichia coli et dans la levure comme Saccharomyces cerevisiae (8). La levure de boulangerie S. cerevisiae, connue pour sa tolérance aux conditions acides et riches en inhibiteurs, est considérée comme l'une des espèces préférées pour la production des produits chimiques d'intérêt comme le PHB.

Production durable de latex et de caoutchouc naturel sans allergène

Actuellement l'arbre à caoutchouc est la principale source pour la production de caoutchouc naturel à partir du  latex extrait de cet arbre. Des études montrent que jusqu'à 17% du personnel clinique souffrent déjà d'allergies au latex, déclenchées directement par le latex ou par l'ajout d'additifs stabilisants. En raison de l'augmentation de l'allergénicité par rapport aux produits en caoutchouc naturel, tous les produits médicaux (par exemple gants en latex, cathéters) sont actuellement fabriqués en caoutchouc synthétique. Cependant, l'énergie nécessaire pour produire 1 kg de caoutchouc synthétique à partir du pétrole est de 130 MJ contre 13-16 MJ pour le caoutchouc naturel.

 

Une alternative est la production de latex et de caoutchouc par des cultures cellulaires du pissenlit russe (Taraxacum koksaghyz), dont on a montré que le caoutchouc ne provoque pas de réactions allergiques et possède en même temps les propriétés chimiques désirées du caoutchouc naturel. Le développement de plantes de pissenlit transgéniques ont permis d’augmenter la production de latex (9).