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Cours Nutrition & Biotechnologies alimentaires BTM3 Diag & PROD Enseignante : Dr. Saoussen TURKI CHAPITRE IV BIOTECHNOLOGIES ALIMENTAIRES La biotechnologie résulte d`un mariage entre la science des être...

Cours Nutrition & Biotechnologies alimentaires BTM3 Diag & PROD Enseignante : Dr. Saoussen TURKI CHAPITRE IV BIOTECHNOLOGIES ALIMENTAIRES La biotechnologie résulte d`un mariage entre la science des êtres vivants (la biologie) et un ensemble de techniques nouvelles issues d`autres disciplines telles que la microbiologie, la biochimie, la génétique et la biologie moléculaire. Chacune de ces disciplines utilise la matière vivante ou des procédés biologiques pour produire de nouveaux produits alimentaires dans le but de répondre aux enjeux sociétaux et écologiques du XXI eme siècle. En effet, les biotechnologies appliquées à l'agriculture et à l'agro-alimentaire offrent l`avantage de diminuer des coûts de production, de contribuer à la préservation de l'environnement, la sécurité alimentaire, et l`amélioration de la qualité des aliments. Au cours des cinquante dernières années, les avancées de la génétiques et de la biologie moléculaire ont permis la mise au point et la commercialisation d’organismes génétiquement modifiés (OGM) porteurs de caractères qui se sont affranchis de la barrière des espèces. Ces caractères peuvent se révéler très bénéfiques pour la production alimentaire. Ce chapitre expose des exemples d`applications biotechnologiques dans le secteur agro-alimentaire en s`attachant à évaluer l’impact général que pourrait avoir la biotechnologie moderne sur la santé et le développement. I. Définition de la biotechnologie alimentaire moderne Selon la définition de la Commission du Codex Alimentarius (CAC 2001a), la biotechnologie moderne s’entend: i) de l’application des techniques in vitro aux acides nucléiques, y compris la recombinaison de l’acide désoxyribonucléique (ADN) et l’introduction directe d’acides nucléiques dans des cellules ou organites; ii) de la fusion cellulaire d’organismes n’appartenant pas à la même famille taxonomique, qui surmontent les barrières naturelles de la physiologie de la reproduction ou de la recombinaison et qui ne sont pas des techniques utilisées pour la reproduction et la sélection de type classique. Le génie génétique, le clonage, les cultures de tissus ou l’amélioration génétique basée sur l’utilisation de marqueurs sont considérés comme les biotechnologies modernes les plus connues. Elles permettent, en modifiant le patrimoine génétique, de conférer à des plantes, à des animaux et à des micro- organismes des caractères qui ne pourraient pas être obtenus à l’aide des techniques classiques de reproduction et de sélection. Elles ont été introduites dans la perspective d’augmenter la productivité agricole ou encore d’améliorer la qualité, la valeur nutritionnelle et la facilité de transformation des produits alimentaires. Ces technologies peuvent également contribuer à une moindre utilisation de produits agrochimiques, à la durabilité des cultures et à la sécurité alimentaire. pg. 1 II. Chronologie de la biotechnologie alimentaire : Voir Document 1 III. Amélioration génétique des cultures et introduction de cultures génétiquement modifiées dans la production alimentaire La mise au point des techniques de recombinaison de l’ADN et leur utilisation au cours des années 1980 ont fourni aux chercheurs un outil qui leur permet de dépasser la contrainte de l’incompatibilité des espèces. La biotechnologie moderne utilise des techniques moléculaires pour identifier, sélectionner et modifier une séquence de l’ADN codant pour un caractère ou trait génétique déterminé (par exemple une résistance aux insectes, la tolérance à la sécheresse ou à la salinité) provenant d’un organisme donneur (micro-organisme, plante ou animal) et la transférer ensuite dans l’organisme receveur de manière à ce qu’il exprime ce trait. Parmi les cultures génétiquement modifiées autorisées pour la consommation et sont commercialisées au niveau international pour l’alimentation humaine et animale on cite l`exemple du maïs résistant aux herbicides et aux insectes ravageurs (maïs Bt) mises au point par l’expression de diverses toxines insecticides présentes chez Bacillus thuringiensis (BT) et le soja tolérant aux herbicides. Des cultures commerciales résistantes aux virus sont également autorisées dans certains pays comme la papaye (qui résiste à la tache annulaire), la pomme de terre (qui résiste au virus Y de la pomme de terre et au virus de l’enroulement de la pomme de terre) ou encore la courge yellow crookneck (qui résiste au virus de la mosaïque de la pastèque). Les plantes cultivées transgéniques porteuses de caractères agronomiques déterminés qui ont été commercialisées sont souvent désignées par l’appellation de plantes transgéniques de « première génération ». La mise au point de variétés transgéniques porteuses de certains traits agronomiques se poursuit et une série de cultures génétiquement modifiées possédant de meilleures propriétés nutritionnelles est également en route. Les secteurs clés de la recherche et développement (R&D) dans le domaine de la production végétale sont : 1. Les traits agronomiques : La plupart des cultures transgéniques nouvellement commercialisées seront encore essentiellement celles qui sont porteuses de traits agronomiques tels que la résistance aux herbicides, la résistance aux insectes et, indirectement, la possibilité de rendements accrus. Dans ce domaine, la R & D a pour but : d’introduire le trait de la résistance aux herbicides dans une gamme plus étendue de variétés de maïs, de soja et de canola et également de cultures telles que le blé; d’élargir la gamme d’herbicides utilisables en association avec les cultures transgéniques porteuses du trait résistant aux herbicides, par exemple de les rendre tolérantes à des herbicides tels que le bromoxynil, l’oxynil et la sulfonylurée; et d’introduire de nouveaux gènes de résistance aux insectes dans les végétaux, par ex. sous la forme de nouveaux variants Bt contenant d’autres toxines. On a obtenu une pomme de terre transgénique qui résiste aux nématodes (vers des racines).On procède actuellement dans différentes régions du monde à des essais de plein champ sur la résistance aux virus des cultures suivantes: patate douce (virus spumeux de la tache de la patate douce); maïs (virus de la striure du maïs) et manioc (virus de la mosaïque du manioc africain). Les travaux sur le pg. 2 blé résistant au virus de la jaunisse nanisante de l’orge ont peu progressé en raison de la complexité de son génome et les recherches en laboratoire se poursuivent. 2. Modification des propriétés nutritionnelles et de la composition L’exemple le plus connu d’une plante transgénique aux propriétés nutritionnelles améliorées est celui d’une variété de riz à haute teneur en bêta-carotène – un précurseur de la vitamine A – appelée « riz doré ». La vitamine A est un facteur essentiel de résistance aux maladies, qui protège contre les troubles de la vision et la cécité et permet à l’organisme de croître et de se développer dans de meilleures conditions. La carence en vitamine A ou avitaminose A (WHO/UNICEF 1995) constitue un problème de santé publique de par les pathologies graves qu’elle entraîne et qui sont un facteur de mortalité chez l’enfant. Un certain nombre de stratégies ont été proposées pour combattre l’avitaminose A, des variétés de riz et de maïs enrichies en vitamine A sont actuellement en cours de mise au point pour être cultivées dans des pays en développement. L’effort de recherche porte actuellement sur la production d’un riz dont la vitamine A puisse être absorbée efficacement par les voies digestives humaines. Une fois ce problème résolu, une ration de 300 g de riz transgénique permettrait de couvrir une partie appréciable des besoins journaliers de l’organisme humain en vitamine A. La prévalence de la carence martiale est très élevée dans les régions du globe où le riz constitue la nourriture de base (WHO 2000a). Cela tient au fait que le riz est très pauvre en fer. On a constaté que les semences de riz transgénique contenant de la ferritine (protéine de transport du fer) de soja étaient deux fois plus riches en fer que les semences de la variété non transformée. Le riz a été transformé par l’insertion de trois gènes qui augmentent l’accumulation du fer dans les grains de riz et son absorption dans les voies digestives. Les chercheurs étudient également des méthodes visant à améliorer la teneur en protéines de légumes de base tels que le manioc, la banane plantain et la pomme de terre. Les essais en serre montrent que ces tubercules ont une teneur en protéines 35 à 45 % plus élevée et sont également plus riches en acides aminés essentiels. Le recours à la biotechnologie moderne a permis par ailleurs l`élimination des allergènes et des antinutriments dans quelques aliments : L’insertion dans la pomme de terre d’un gène de l’invertase provenant d’une levure réduit la concentration naturelle d’un glycoalcaloïde toxique. On a pu réduire la teneur du riz en une protéine allergénique en modifiant sa voie de biosynthèse, Des recherches sont également en cours pour tenter de réduire l’allergénicité du blé. Ces travaux consistent à insérer un gène qui commande la biosynthèse de la thiorédoxine afin de provoquer la rupture des ponts disulfure dans la protéine nocive, sans altérer pour autant la fonctionnalité des protéines du blé. Les efforts déployés pour préparer des aliments plus sains portent notamment sur l’augmentation de la teneur en amidon de la pomme de terre afin qu’elle absorbe moins de graisse au cours de la friture. Pour que les graisses alimentaires soient moins nocives, on a modifié la composition en acides gras du soja et du canola afin d’obtenir des huiles à plus faible teneur en graisses saturées. La R & D porte actuellement sur le soja, les graines oléagineuses de colza et l’huile de palme transgéniques. Deux cultures transgéniques ont été autorisées aux États-unis d’Amérique pour l’alimentation humaine et animale. Il s’agit de soja à haute teneur en acide oléique et de graines oléagineuses de colza à haute pg. 3 teneur en acide laurique. Le soja à haute teneur en acide oléique est également autorisé comme aliment au Canada et en Australie. Dans la perspective d`une augmentation de la teneur des aliments en antioxydants, des travaux de recherche ont été réalisé pour augmenter la teneur des tomates en en lycopène et en lutéine et celle du soja en isoflavones. Ces phytonutriments ont un effet bénéfique sur la santé. Un autre volet ou la R&D est encore à son début mais qui peut déboucher a un avenir prometteur est de conférer aux espèces végétales une tolérance aux facteurs de stress environnementaux par modification génétique. Des recherches intensives sont actuellement menées sur la résistance à la sécheresse et à la salinité. On estime que dans l’ensemble du monde, 20 % des terres agricoles et 40 % des terres irriguées souffrent de la salinité. La résistance à la salinité et à la sécheresse met en jeu de nombreux gènes dont les interactions sont complexes. En raison du caractère multigénique de cette résistance, les techniques traditionnelles d’amélioration génétique ne sont guère parvenues à obtenir des variétés xéro- et halotolérantes. Une tolérance au sel pourrait être conférée aux cultures sensibles par le transfert de gènes multiples qui interviennent dans une voie métabolique pertinente chez une plante halotolérante. On ignore dans combien de temps des plantes transgéniques de ce genre pourront être commercialisées. La R & D relative à la tolérance à l’aluminium (qui est un facteur de limitation de la croissance dans les sols acides) en est à ses premiers stades en ce qui concerne la papaye, le tabac, le riz et le maïs, mais il faudra compter plusieurs années avant toute commercialisation. On a introduit dans le maïs le caractère de stérilité mâle en vue d’obtenir des semences hybrides à 100 % de façon à « continuer » les cultures génétiquement modifiées pour qu’elles ne se propagent pas dans l’environnement. La mise sur le marché de diverses variétés de maïs porteuses du trait de stérilité mâle (hybrides mâles-stériles) a été autorisée aux Etats-Unis d’Amérique. En outre, la dissémination dans l’environnement et l’utilisation à des fins alimentaires de diverses variétés de graines de colza et de canola mâle-stérile ont été autorisées dans l’Union européenne (UE), au Canada et aux États-unis d’Amérique. IV. Application de la biotechnologie moderne aux animaux d’élevage En vue de résoudre certains problèmes pratiques d’aquaculture, la recherche tente d’améliorer la résistance aux maladies en produisant des saumons porteurs de séquences d’ADNc de truite arc-en- ciel codant pour le lysozyme. Le lysozyme est actif contre certains germes pathogènes des poissons tels que Vibrio, Aeromonas et Yersinia. Le manque de tolérance au froid chez les espèces d’eaux chaudes comme la carpe commune ou le tilapia peut conduire à d’importantes pertes de ressources pisciaires au cours de l’hiver. Dans le but d’étendre la zone géographique qui se prête à l’élevage des poissons, on peut prélever un gène codant pour une protéine antigel chez une espèce qui en est porteuse et le transférer ensuite à l’espèce à protéger. On a ainsi produit des variétés de saumon atlantique résistantes au froid, mais la quantité de protéine antigel sécrétée par ces saumons était insuffisante pour abaisser de façon sensible le point de congélation du sang. Les chercheurs travaillent actuellement à la production de poissons pg. 4 transgéniques stériles afin de réduire le plus possible le risque de dissémination d’espèces ainsi modifiées parmi les populations sauvages. En ce qui concerne le bétail et la volaille bien qu`on est encore loin de commercialiser des aliments issus de bétail ou volaille transgeniques, des travaux de recherche sont lances pour produire des vaches transgéniques dont le lait est plus riche en caséine. En utilisant ces laits enrichis en protéines, on pourrait améliorer la production de fromage. D’autres travaux sont consacrés à la réduction de la teneur du lait en lactose dans le but de le rendre consommable par les sujets qui présentent une intolérance au lait. Parmi les autres applications du génie génétique à la production animale qui en sont encore aux premiers stades de la R & D, on peut citer l’amélioration de la résistance aux maladies, l’augmentation du nombre de mises bas chez la brebis, la modification du rapport de masculinité chez les volailles, l’amélioration de la production d’oeufs par la création de deux ovaires actifs chez les pondeuses ou encore les porcs « écologiques » qui, grâce à une meilleure assimilation de leur nourriture, excrètent moins de phosphore, ce qui réduit la pollution de l’environnement. Ces travaux restent en majeure partie théoriques et il n’est donc pas possible de prévoir dans quel délai ils pourront déboucher sur une commercialisation. V. Les micro-organismes génétiquement modifiés comme aliments, agents de transformation, suppléments diététiques et substances chimiques vétérinaires En ce qui concerne les micro-organismes, des MGM sont encore en phase de R&D pour être employés dans l`industrie alimentaire notamment certaines cultures servant à amorcer la fermentation de divers produits alimentaires (boulangerie et brasserie) ou bien les lactobacilles utilisés en fromagerie. Dans le domaine des produits probiotiques, des micro-organismes améliorés au moyen des biotechnologies modernes sont également en cours de mise au point; il s’agit de micro-organismes vivants qui, lorsqu’ils sont consommés en quantité suffisante dans l’alimentation, sont bénéfiques pour la santé de l’hôte. La plupart des micro-organismes que l’on modifie génétiquement en vue d’en tirer des agents de transformation pour l’industrie alimentaire dérivent de ceux que l’on utilise dans la biotechnologie alimentaire traditionnelle. C’est le cas, par exemple, de l’alpha-amylase qui sert à la panification, de la glucose-isomérase utilisée pour la production de fructose ou encore de la chymosine que l’on emploie en fromagerie. L’emploi de MGM est également autorisé dans un certain nombre de pays pour la production de micronutriments tels que des vitamines ou des acides aminés que l’on utilise à des fins nutritionnelles ou comme compléments diététiques. La production de caroténoïdes (utilisés comme additifs alimentaires, colorants ou compléments diététiques) à l’aide de systèmes bactériens transgéniques en constitue un exemple. Il devrait être possible, à l’avenir, d’intégrer des voies métaboliques complètes pg. 5 dans des micro-organismes transgéniques de manière à ce qu’ils puissent produire de nouveaux composés. Dans le domaine de l’élevage, on a élaboré par génie génétique des produits vétérinaires comme la somatotropine bovine (ou hormone bovine de croissance), qui permet d’augmenter la production laitière. La somatotropine bovine est commercialisée depuis plus de dix ans dans plusieurs pays. pg. 6