Produits issus des fermentations et des réactions enzymatiques
Analyse des macromolécules biologiques : introduction

Les biotechnologies à l’échelle industrielle connaissent depuis les années soixante-dix un développement constant dans tous les domaines de l’activité chimique. Tous les secteurs ont investi des sommes considérables dans la recherche de nouveaux produits biotechnologiques, leur développement et leur réalisation industrielle à une très grande échelle ; ces investissements commencent à porter leurs fruits avec l’arrivée sur le marché de produits qui concurrencent ou se substituent à ceux des industries chimiques traditionnelles. De nouvelles matières premières sont ainsi apparues. Dans le domaine agricole, la sélection de nouvelles variétés fait appel aux progrès de la génétique moléculaire et se matérialise par une amélioration de la résistance des végétaux aux intempéries ou aux prédateurs, comme par celle du rendement. Dans le domaine agroalimentaire, on assiste à l’élaboration de nouvelles protéines, comme à l’accélération de la croissance des animaux d’élevage. Dans le domaine de la santé, des progrès spectaculaires ont été enregistrés : production en pleine extension de vaccins à partir de protéines purifiées, de peptides synthétiques. De nouveaux médicaments sont obtenus par des processus biotechnologiques : insulines, interférons, hormones antihypophysaires, etc.

L’industrie des fermentations, la production industrielle fondées sur les propriétés des enzymes grâce au perfectionnement de la connaissance de leurs fonctions et l’élucidation de leur structure, ont été rapidement suivies par le développement des anticorps monoclonaux, les cultures cellulaires et les recombinaisons génétiques.

Le développement des biotechnologies implique la participation de toutes les branches de la chimie, notamment dans le cadre de l’analyse chimique. Tout développement implique en effet un contrôle et une réglementation, d’abord scientifique puis légale ; les biotechnologies n’y échappent pas. Le propos de cette rubrique des Techniques de l’Ingénieur n’est pas d’entrer dans le cadre de multiples contrôles auxquels doivent donner lieu les produits biotechnologiques : microbiologiques, biologiques, immunologiques, etc., ni d’entrer dans celui des règlements qui, sur le plan international ou européen, permettent de mieux appréhender les problèmes et de concilier ceux qui relèvent de l’éthique tels que ceux émanant de la CEE sous forme de directives ou de notes explicatives pour les médicaments d’origine biotechnologique. Sur le plan scientifique, les Unions Internationales se préoccupent des problèmes biotechnologiques. Une définition précise a été donnée par la Fédération européenne et par l’Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC). Par l’application intégrée des sciences biochimiques et microbiologiques de la génétique et du génie chimique, les biotechnologies permettent le développement industriel des capacités et des propriétés des micro-organismes des cultures cellulaires et des produits qui en dérivent. La définition rejoint celle donnée en 1980 aux États-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 développée dans cette rubrique, se retrouve comme une partie importante dans les développements des biotechnologies comme dans tous les domaines de l’activité chimique.

• Tout isolement d’une substance suppose, dans un premier temps, une approche analytique qui définit les opérations d’extraction, purification, séparation et isolement (cf. article « Identification, pureté et dosage d’une protéine » de ce traité). Les techniques mises au point au niveau de la recherche à l’échelle analytique sont transposées dans un deuxième temps à l’échelle préparative puis industrielle. La première étape tient une place primordiale dans le domaine des biotechnologies ; il ne faut pas oublier que les premiers essais biologiques ou microbiologiques sont effectués sur des quantités très réduites qui relèvent des techniques microanalytiques ; les rendements très faibles au départ, sans oublier le prix de revient le plus souvent très élevé des matières premières, les techniques mises en œuvre et la haute spécialisation des chimistes analystes prennent une place chaque jour plus importante avec un accroissement de l’efficacité. Au niveau de la recherche, l’analyste intervient pour élucider les structures. Il met en jeu les méthodes d’analyse les plus performantes. La spectrométrie de masse, utilisée pour l’identification des « petites molécules » formées par la dégradation des protéines a concouru à identifier des polypeptides de masse moléculaire allant jusqu’à 5 000 puis 15 000 et au-delà et intervient ainsi dans l’analyse séquentielle. Les applications de l’électrospray, les techniques électrophorétiques et immunotechnologiques reçoivent des applications multiples pour élucider la structure de fragments polypeptidiques de masse moléculaire plus élevée.

  La spectrométrie de masse se développe dans le domaine des protéines et dans celui des polysaccharides ; elle constitue ainsi dès maintenant l’outil indispensable à l’étude des biomolécules par FAB-MS (couplage Fast Atom Bombardment - spectrométrie de masse), ou à l’analyse des glycoprotéines ou de protéines de masse importante par le couplage avec la « matrix assisted laser desorption ionisation - time of flight » (MALDI-TOF).

• Au stade du développement puis au stade industriel, l’analyse intervient dans le contrôle des fabrications, dans la garantie de constance du produit, dans la recherche de dérivés éventuels ; elle apporte une contribution efficace à la fabrication du produit biotechnologique.

  Telle est l’idée directrice à l’origine de cette rubrique sur l’analyse des polymères biologiques qui implique la participation de spécialistes de disciplines très éloignées les unes des autres.

  Deux types d’exemples sont présentés 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 à des processus de fermentation et de génie enzymatique et biotechnologique reposant sur la recombinaison génétique ou génie génétique.