Biotechnologie

La Révolution de la Biotechnologie pour les Matériaux, l’Énergie et les Industries Alimentaires

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Biotechnologie au-delà du secteur médical

La plupart de l’attention dans le secteur de la biotechnologie est dirigée vers la médecine et les produits pharmaceutiques. Les raisons sont assez évidentes: les biotechnologies peuvent potentiellement éradiquer les maladies rares et chroniques, lutter contre le vieillissement et guérir le cancer ainsi que les maladies infectieuses.

C’est un secteur très rentable, avec de nombreuses plus grandes entreprises mondiales concentrées sur le secteur pharmaceutique.

Cependant, ce n’est pas le seul domaine d’application de la biotechnologie. Après tout, la biosphère dans son ensemble est essentiellement un assemblage de nanomachines (protéines et cellules) capables de transformer la lumière du soleil et l’air en matériaux, nourriture et énergie. Même l’ensemble de l’industrie des combustibles fossiles repose sur des millions d’années d’activité biologique ayant créé le charbon, le pétrole et le gaz.

Ainsi, notre maîtrise croissante de la vie, jusqu’aux niveaux génétique et moléculaire, pourrait bientôt voir de nombreux processus industriels remplacés par des technologies plus durables alimentées par la biotechnologie.

Production alimentaire

Le premier domaine non médical où la biotechnologie s’applique directement est la production agricole. Les cultures OGM existent depuis plusieurs décennies et s’améliorent rapidement pour devenir beaucoup plus durables et moins controversées.

La biotechnologie agricole devrait passer de 79,9 milliards de dollars en 2023 à 119,6 milliards de dollars d’ici 2028.

Une application directe est le développement de nouvelles variétés de cultures résistantes aux maladies et aux ravageurs ou plus tolérantes à la sécheresse, aux vagues de chaleur, aux inondations et à d’autres perturbations climatiques.

Une autre possibilité consiste à modifier les bactéries et micro-organismes présents sur les plantes, à l’intérieur des plantes et dans le sol. Cela pourrait remplacer le besoin d’engrais chimiques et de pesticides par des bactéries. Nous avons discuté de la façon dont nous pourrions modifier le microbiome des plantes dans notre article « Microbiomes végétaux ingénierés — Protéger les cultures avec des bactéries ».

Source: Energy.gov

Dans ce domaine, quelques leaders ont émergé, notamment Bayer (BAYRY). L’entreprise illustre la frontière floue entre les sociétés pharmaceutiques et agricoles, avec des activités dans les deux segments.

Nous avons abordé ce sujet et Bayer dans nos articles « Faire progresser l’agriculture avec l’IA et le génie génétique – Le futur de la culture » et « Technologie des mini‑chromosomes – La meilleure voie vers une croissance durable du rendement des cultures ? ».

Aliments alternatifs

L’édition génétique peut également être utilisée pour créer de nouveaux types d’aliments. Par exemple, des cultures entièrement nouvelles créées à partir de mauvaises herbes peuvent être une option.

Des substituts de viande qui ont la texture et le goût de la viande, tout en présentant un meilleur profil santé, pourraient également être créés en modifiant le génome des champignons.

Biocarburants et énergie

Si les plantes étaient la source originelle des combustibles fossiles il y a des millions d’années, la biomasse fraîchement cultivée pourrait-elle nous alimenter à l’avenir?

C’est la promesse des biocarburants. Les première et deuxième générations de biocarburants n’utilisaient que des produits issus de l’agriculture traditionnelle (1re génération utilisant des produits alimentaires comme le maïs, 2e génération à partir de déchets agricoles).

Mais la 3e génération de biocarburants vise à utiliser des organismes sur‑mesure pour produire directement du carburant de manière beaucoup plus efficace, tout en évitant de mettre la pression sur la production alimentaire et l’approvisionnement en eau douce.

Les biocarburants sont souvent de l’éthanol, mais peuvent également inclure une variété d’autres molécules, dont des acides gras à chaîne longue (similaires au pétrole), le biogaz, l’hydrogène et l’ammoniac.

Une option consiste à utiliser des algues, qui pourraient être cultivées dans l’océan ou dans les déserts avec de l’eau de mer. Nous avons exploré cette possibilité dans « Biocarburant algal: La prochaine révolution énergétique? »

Source: Exxon

Une autre option pourrait consister à transformer des organismes bien connus comme la levure en machines photosynthétiques, comme nous l’avons étudié dans « La levure lumineuse pourrait changer notre approche des biocarburants ».

Enfin, une fusion de biotechnologie et de nanotechnologie pourrait créer les biocarburants de 4e génération. On les appelle parfois « carburant solaire photobiologique ». Cela contournerait le besoin d’organismes complets et recréerait la photosynthèse biologique à grande échelle grâce à la nanotechnologie.

Changement climatique

Bien que les biocarburants puissent être un contributeur sérieux à la lutte contre le réchauffement climatique et à la réduction de l’utilisation des combustibles fossiles, ce n’est pas la seule façon dont les biotechnologies peuvent aider.

Dans « Investir dans les actions biotechnologiques qui travaillent sur des solutions au réchauffement climatique » nous avons discuté de quelques autres possibilités:

  • Capture du carbone, y compris via arbres génétiquement modifiés, biochar (piégeage du carbone dans le charbon et le sol), fermes d’algues kelp, fertilisation des microalgues océaniques avec du fer, etc.
  • Réduction des émissions de gaz à effet de serre provenant de l’agriculture.
  • Production de composés à haute valeur ajoutée tels que parfums, épices et produits pharmaceutiques dans des bioréacteurs plutôt que de récolter des plantes et des animaux.
  • Agriculture verticale ou en intérieur pour réduire la pression sur les terres et les ressources en eau.

Source: Medium

Matériaux et fournitures industrielles

Bois

L’un des biomatériaux les plus anciens, le bois, reste un matériau important dans les économies modernes d’aujourd’hui. Le bois d’œuvre et la sylviculture constituent une industrie massive valant 1,16 billion de dollars en 2024.

En raison de leur croissance lente et du temps entre les générations, les arbres ont longtemps été exclus des programmes de génie génétique.

Une génétique améliorée pourrait augmenter la production de bois et la capture du carbone.

Cela pourrait également créer de nouvelles formes d’« agriculture d’arbres », où les arbres sont utilisés pour produire de nouveaux composés précieux, des produits pharmaceutiques aux produits chimiques.

Ces concepts seront probablement intégrés aux progrès réalisés dans la compréhension des écosystèmes, avec des notions comme l’agroforesterie, les forêts alimentaires et la sylviculture multi‑espèces optimisée, augmentant à la fois la productivité et les bénéfices écologiques.

Enfin, le bois pourrait être un matériau bien plus puissant que prévu. Les chercheurs découvrent que des conditions alcalines, des hautes températures et des biopolymères peuvent transformer le bois en « bois augmenté pouvant avoir la résistance de l’acier et une rigidité 23 fois supérieure à celle du béton ».

Bioplastiques et biochimiques

Une grande partie de la consommation de combustibles fossiles, ainsi qu’une source majeure de pollution, est dédiée à la production de plastique, qui pourrait atteindre 20 % de la consommation de pétrole et de gaz d’ici 2050.

C’est un problème important alors que nous commençons à réaliser que les microplastics deviennent omniprésents, tant dans nos corps et même dans l’eau de pluie.

Remplacer le plastique à base de combustibles fossiles par du bioplastique est une tâche difficile, nécessitant encore beaucoup d’ingénierie chimique. Mais cela est réalisable et probablement nécessaire si nous voulons continuer à utiliser le plastique sans polluer irréversiblement notre environnement.

Nous abordons les défis techniques et certaines des dernières innovations dans ce secteur dans « Alternatives écologiques aux plastiques : les plastiques biodégradables sont-ils une solution ? ». Et les entreprises leaders du secteur dans le « Top 5 des entreprises de bioplastiques ».

Des alternatives d’origine biologique sont également trouvées dans d’autres domaines. Par exemple, pour la colle, où le formaldéhyde toxique peut être remplacé par la lignine. Ou comment des panneaux en chanvre (plantes de cannabis non psychoactives) peuvent être utilisés pour l’isolation thermique des bâtiments.

Fibres textiles

Des chercheurs ont réussi à ingénierie des vers à soie capables de produire à grande échelle de la soie d’araignée, une fibre six fois plus résistante que le Kevlar utilisé dans les gilets pare-balles. Elle pourrait être utilisée dans l’aérospatiale et les applications militaires, ainsi que pour les sutures chirurgicales. La soie d’araignée pourrait même être utilisée pour des muscles robotiques.

Remédiation de la pollution et environnement

Bactéries dégradant le plastique

La pollution plastique peut également être résolue d’une autre manière. Carbios, une startup française, a identifié une bactérie avec une enzyme modifiée capable de digérer le plastique.

Une autre entreprise, Epoch Biodesign crée des protéines capables de dégrader les détergents, la peinture, les produits agrochimiques, les plastiques, etc.

Même les plantes et les champignons pourraient contribuer à la dégradation du plastique, ajoutant aux solutions disponibles pour remédier à la pollution.

Nettoyage des eaux usées du pétrole de schiste

Plus récemment, une nouvelle application des biotechnologies émergentes initialement développées pour la santé humaine est apparue.

En utilisant des bactériophages, les chercheurs ont réussi à réduire la pollution causée par le traitement des eaux usées de la production de pétrole de schiste. Nous avons détaillé son fonctionnement dans « Bactériophages pourraient réduire les dommages causés par le fracturation hydraulique, une pratique notoirement divisive ».

Ressusciter des espèces disparues

La pollution plastique ou le changement climatique ne sont pas les seuls impacts négatifs des activités humaines. De nombreuses espèces sont soit en danger d’extinction, soit ont été exterminées il y a des siècles ou des millénaires.

Dans « Les efforts de conservation renforcés par les avancées en biotechnologie – Les rhinocéros blancs les derniers bénéficiaires », nous avons examiné comment les dernières avancées en élevage artificiel et en génie génétique pourraient sauver des espèces menacées comme le rhinocéros blanc, et peut‑être même ramener à la vie des espèces comme le mammouth laineux.

Source: Colossal

Stockage de données ADN

Un segment inattendu pour la biotechnologie pourrait être le stockage de données, un domaine qui était jusqu’ici réservé aux semi‑conducteurs. Cependant, l’ADN est en réalité un support d’information extraordinairement dense, avec une densité d’information ADN de 1,47 terabit/mm² ou 950 terabit/in², soit plus de 800 fois la densité des disques durs.

Il pourrait également présenter l’avantage unique d’être stable sur une très longue période tout en ne nécessitant pas de matériaux coûteux ou polluants. Le stockage ne nécessite pas non plus d’énergie.

La baisse des coûts et les améliorations de la précision de la synthèse d’ADN synthétique rendent désormais possible le stockage d’ADN de haute qualité.

Un problème réside dans la lecture du matériau, qui est nettement plus complexe que les données écrites sur des substrats semi‑conducteurs. Ainsi, il est probable que le stockage ADN soit limité aux données d’archives et à d’autres données rarement consultées dans un avenir prévisible.

L’alliance DNA Data Storage Alliance (DTST ) a récemment été créée et comprend la société de synthèse d’ADN Twist Biosciences, la société de séquençage génomique Illumina, la société de stockage de données Western Digital , Microsoft (MSFT ), Lenovo et de nombreux autres.

Entreprises de biotechnologie non pharmaceutiques

1. Ginkgo Bioworks

DNA Graphique du prix

L’entreprise produit des organismes à la demande pour des applications spécifiques. Celles‑ci incluent des applications biomédicales ainsi que de nombreux programmes d’ingénierie industrielle et des sciences des matériaux.

Ginkgo est exactement le type d’entreprise vers laquelle les grands conglomérats industriels pourraient se tourner pour concevoir une levure sur‑mesure dédiée à la production de biocarburants. Il en va de même pour les produits chimiques complexes de grande valeur ou les méthodes de dépollution.

Ginkgo Bioworks (DNA ) a largement diversifié ses applications avec de nombreux programmes de recherche et partenariats :

Elle génère des revenus en étant d’abord payée à l’avance pour le processus de développement, puis via des redevances sur le produit final.

Les partenariats de Ginkgo s’étendent constamment, avec :

Ginkgo Bioworks collabore également avec toutes les grandes corporations agricoles, dont la plupart ont des intérêts dans la production de biocarburants et la microbiologie. Quelques‑unes d’elles incluent Bayer, Cargill, Syngenta, Corteva, ADM, Exacta, et d’autres.

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science, partie de Bayer Global (également une entreprise pharmaceutique), se concentre sur les innovations autour des semences, des caractères et de la protection des cultures.

Les innovations de Bayer ont aidé ses scientifiques en biotechnologie à apporter des améliorations ciblées au sein de l’ADN des plantes.

Depuis sa fusion avec Monsanto, elle est également leader dans les cultures OGM et la gestion des mauvaises herbes. Cette fusion a entraîné le problème des procès très coûteux liés à RoundUp, qui ont fait chuter le cours de l’action de l’entreprise dans les années qui ont suivi la fusion.

Elle contrôle la majeure partie du marché traditionnel des semences OGM et travaille également à l’utilisation de CRISPR pour la prochaine génération de semences de maïs, soja, blé, etc.

Les avantages de la protection des cultures, selon Bayer, sont énormes. Le mécanisme de protection des cultures préserve environ 30 % des rendements agricoles mondiaux, soit l’équivalent de 550 millions de tonnes de nourriture pouvant nourrir plus de 2 milliards de personnes.

Source: Bayer

Bayer passe des OGM traditionnels à travers un partenariat avec Ginkgo Bioworks (DNA), l’une des plus grandes sociétés de biologie synthétique. Le partenariat se concentre sur le développement d’alternatives biologiques aux engrais chimiques via l’édition génétique de micro‑organismes.

Elle est leader en variété de semences et en édition génétique des plantes, avec plus de 500 nouvelles variétés de cultures dans son pipeline (et 250 nouvelles enregistrements de cultures en 2022).

L’entreprise est également leader dans l’intégration de la technologie à l’agriculture. Par exemple, Bayer a signé un partenariat avec Microsoft pour combiner le système de gestion de données Azur du géant technologique avec l’expertise de Bayer dans l’utilisation de données provenant de satellites, de capteurs de terrain, de drones, d’équipements de terrain et de capteurs de sol afin de créer des fermes véritablement modernes et connectées.

Source: Bayer

Grâce à son leadership dans les OGM (traditionnels et édition génétique avancée), la sélection de variétés végétales et l’intégration du big data à l’agriculture, Bayer serait un candidat naturel pour accompagner le processus de création de cultures domestiquées de novo, ainsi que la détection hyperspectrale des mauvaises herbes par les robots agricoles.

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Jonathan est un ancien chercheur en biochimie qui a travaillé dans l'analyse génétique et les essais cliniques. Il est maintenant analyste boursier et rédacteur financier, spécialisé dans l'innovation, les cycles de marché et la géopolitique dans sa publication 'The Eurasian Century'.