Les végétaux améliorés par l’ingénierie pourraient être les usines chimiques vertes du futur
La biologie synthétique vise à modifier les organismes existants en concevant des systèmes biologiques basés sur les TIC et l’ingénierie. Une approche clé consiste à concevoir puis à introduire des génomes synthétiques dans les cellules. Les génomes fournissent à un organisme toutes ses informations génétiques. «Les végétaux sont des cibles particulièrement attractives pour la biologie synthétique», explique Ralph Bock, coordinateur du projet GENEVOSYN, directeur de l’institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes, en Allemagne. «Premièrement, leurs génomes peuvent être manipulés relativement facilement. Deuxièmement, les végétaux peuvent tolérer des modifications, même importantes, de leurs génomes. Troisièmement, et c’est le plus important, toute vie sur notre planète dépend des végétaux. Ils produisent l’oxygène que nous respirons et la nourriture que nous mangeons.» «Compte tenu de la croissance démographique mondiale et des défis liés au changement climatique, la productivité agricole doit doubler d’ici 2050», fait remarquer Ralph Bock. «De nouvelles sources renouvelables de produits chimiques et de carburants doivent être trouvées. Nous avons un besoin urgent de nouvelles technologies, et c’est là que la biologie synthétique peut jouer un rôle important.»
Appliquer le génie génomique
Le projet GENEVOSYN, soutenu par le Conseil européen de la recherche, s’appuie sur les travaux révolutionnaires de Ralph Bock dans le développement d’outils pour concevoir les génomes de deux organites — des structures qui remplissent des fonctions spécifiques dans les cellules — appelées chloroplastes et mitochondries. Les génomes de ces deux organites sont beaucoup plus petits que le génome du noyau de la cellule végétale. «Cela rend les chloroplastes et les mitochondries particulièrement disposées à l’ingénierie du génome à grande échelle avec une grande précision», explique Ralph Bock. «Cela nous permet d’appliquer des approches de biologie synthétique actuellement irréalisables dans le génome nucléaire.» Le projet ciblait plusieurs objectifs. Tout d’abord, Ralph Bock voulait concevoir une nouvelle voie métabolique dans le chloroplaste, pour permettre la synthèse d’un médicament antipaludique appelé artémisinine. Deuxièmement, il voulait développer des méthodes pour rendre le génome mitochondrial plus accessible aux manipulations génétiques. «Enfin, nous voulions tirer parti de notre découverte selon laquelle des génomes entiers peuvent être transférés par greffage entre différentes espèces végétales», explique Ralph Bock. «Notre idée était d’exploiter ce procédé pour générer de nouvelles espèces végétales synthétiques.»
Des végétaux utilisés comme des usines
Le projet, achevé en mars 2021, a ouvert avec succès la voie de l’artémisinine dans les chloroplastes. Ralph Bock et son équipe ont pu démontrer que ce médicament indispensable, qui a le potentiel de sauver des milliers de vies, peut être produit à des niveaux élevés dans les feuilles de tabac. «Les stratégies et les outils que nous avons développés dans ce projet sont maintenant prêts à être appliqués à d’autres voies métaboliques», ajoute Ralph Bock. L’équipe a également progressé dans l’ingénierie du génome mitochondrial. «Il reste encore un certain nombre d’obstacles techniques à surmonter avant de pouvoir insérer des gènes supplémentaires dans le génome mitochondrial», explique Ralph Bock. Enfin, le projet a réussi à générer plusieurs espèces synthétiques, et son équipe analyse actuellement leurs génétiques, leurs physiologies et leurs métabolismes. «Nous avons découvert que le greffage peut favoriser le transfert de matériel génétique entre différentes espèces», remarque Ralph Bock. «Cela offre aux sélectionneurs de plantes une nouvelle méthode pour produire de nouvelles espèces végétales dotées de nouvelles propriétés.» Dans l’ensemble, le projet GENEVOSYN a souligné le potentiel de la biologie synthétique dans le renforcement de la sécurité alimentaire et dans l’utilisation des végétaux comme usines pour la synthèse efficace de produits chimiques verts, biopharmaceutiques et autres composés utiles. Ralph Bock pense que ce projet ne marque qu’un début. «Les futurs défis qui peuvent être relevés grâce à la biologie synthétique incluent, par exemple, l’amélioration de la photosynthèse et l’ingénierie des végétaux qui peuvent utiliser l’azote de l’air comme engrais», conclut-il.
Mots‑clés
GENEVOSYN, agriculture, produits chimiques, biopharmaceutique, génétique, synthétique, biologie