Analyse des macromolécules biologiques : introduction

Abstract

Les biotechnologies a l’echelle industrielle connaissent depuis les annees soixante-dix un developpement constant dans tous les domaines de l’activite chimique. Tous les secteurs ont investi des sommes considerables dans la recherche de nouveaux produits biotechnologiques, leur developpement et leur realisation industrielle a une tres grande echelle ; ces investissements commencent a porter leurs fruits avec l’arrivee sur le marche de produits qui concurrencent ou se substituent a ceux des industries chimiques traditionnelles. De nouvelles matieres premieres sont ainsi apparues. Dans le domaine agricole, la selection de nouvelles varietes fait appel aux progres de la genetique moleculaire et se materialise par une amelioration de la resistance des vegetaux aux intemperies ou aux predateurs, comme par celle du rendement. Dans le domaine agroalimentaire, on assiste a l’elaboration de nouvelles proteines, comme a l’acceleration de la croissance des animaux d’elevage. Dans le domaine de la sante, des progres spectaculaires ont ete enregistres : production en pleine extension de vaccins a partir de proteines purifiees, de peptides synthetiques. De nouveaux medicaments sont obtenus par des processus biotechnologiques : insulines, interferons, hormones antihypophysaires, etc. L’industrie des fermentations, la production industrielle fondees sur les proprietes des enzymes grâce au perfectionnement de la connaissance de leurs fonctions et l’elucidation de leur structure, ont ete rapidement suivies par le developpement des anticorps monoclonaux, les cultures cellulaires et les recombinaisons genetiques. Le developpement des biotechnologies implique la participation de toutes les branches de la chimie, notamment dans le cadre de l’analyse chimique. Tout developpement implique en effet un controle et une reglementation, d’abord scientifique puis legale ; les biotechnologies n’y echappent pas. Le propos de cette rubrique des Techniques de l’Ingenieur n’est pas d’entrer dans le cadre de multiples controles auxquels doivent donner lieu les produits biotechnologiques : microbiologiques, biologiques, immunologiques, etc., ni d’entrer dans celui des reglements qui, sur le plan international ou europeen, permettent de mieux apprehender les problemes et de concilier ceux qui relevent de l’ethique tels que ceux emanant de la CEE sous forme de directives ou de notes explicatives pour les medicaments d’origine biotechnologique. Sur le plan scientifique, les Unions Internationales se preoccupent des problemes biotechnologiques. Une definition precise a ete donnee par la Federation europeenne et par l’Union internationale de chimie pure et appliquee (IUPAC). Par l’application integree des sciences biochimiques et microbiologiques de la genetique et du genie chimique, les biotechnologies permettent le developpement industriel des capacites et des proprietes des micro-organismes des cultures cellulaires et des produits qui en derivent. La definition rejoint celle donnee en 1980 aux Etats-Unis par A. Spinks dans Biotechnology reproduisant le rapport du « Joint Working Party » (HMSO Londres - Mars 1980). La participation de la chimie analytique, qui sera developpee dans cette rubrique, se retrouve comme une partie importante dans les developpements des biotechnologies comme dans tous les domaines de l’activite chimique. Tout isolement d’une substance suppose, dans un premier temps, une approche analytique qui definit les operations d’extraction, purification, separation et isolement (cf. article « Identification, purete et dosage d’une proteine » de ce traite). Les techniques mises au point au niveau de la recherche a l’echelle analytique sont transposees dans un deuxieme temps a l’echelle preparative puis industrielle. La premiere etape tient une place primordiale dans le domaine des biotechnologies ; il ne faut pas oublier que les premiers essais biologiques ou microbiologiques sont effectues sur des quantites tres reduites qui relevent des techniques microanalytiques ; les rendements tres faibles au depart, sans oublier le prix de revient le plus souvent tres eleve des matieres premieres, les techniques mises en œuvre et la haute specialisation des chimistes analystes prennent une place chaque jour plus importante avec un accroissement de l’efficacite. Au niveau de la recherche, l’analyste intervient pour elucider les structures. Il met en jeu les methodes d’analyse les plus performantes. La spectrometrie de masse , utilisee pour l’identification des « petites molecules » formees par la degradation des proteines a concouru a identifier des polypeptides de masse moleculaire allant jusqu’a 5 000 puis 15 000 et au-dela et intervient ainsi dans l’analyse sequentielle. Les applications de l’electrospray, les techniques electrophoretiques et immunotechnologiques recoivent des applications multiples pour elucider la structure de fragments polypeptidiques de masse moleculaire plus elevee. La spectrometrie de masse se developpe dans le domaine des proteines et dans celui des polysaccharides ; elle constitue ainsi des maintenant l’outil indispensable a l’etude des biomolecules par FAB-MS (couplage Fast Atom Bombardment - spectrometrie de masse), ou a l’analyse des glycoproteines ou de proteines de masse importante par le couplage avec la « matrix assisted laser desorption ionisation - time of flight » (MALDI-TOF). Au stade du developpement puis au stade industriel , l’analyse intervient dans le controle des fabrications, dans la garantie de constance du produit, dans la recherche de derives eventuels ; elle apporte une contribution efficace a la fabrication du produit biotechnologique. Telle est l’idee directrice a l’origine de cette rubrique sur l’analyse des polymeres biologiques qui implique la participation de specialistes de disciplines tres eloignees les unes des autres. Deux types d’exemples sont presentes dans cette introduction pour montrer les apports de la chimie analytique et la place qu’elle tient tout en demeurant dans le cadre strict de sa discipline : biotechnologies faisant appel a des processus de fermentation et de genie enzymatique et biotechnologique reposant sur la recombinaison genetique ou genie genetique.