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La biocatalyse prête à BOULEVERSER vos procédés

Michel Le Toullec
- La biocatalyse, qui utilise le vivant pour déclencher et accélérer des réactions chimiques, se développe aujourd'hui bien au-delà de la pharmacie, son secteur d'applications d'origine.

Le consommateur ne s'en apercevra sans doute pas : la vitamine C sera probablement bientôt le premier produit grand public entièrement obtenu par biocatalyse. L'américain Genencor a en effet conçu avec le groupe chimique Eastman un bioprocédé de synthèse de l'acide ascorbique - l'autre nom de la vitamine C - à partir de glucose. Pour l'ingénieur, en revanche, c'est une petite révolution. La biocatalyse permet en l'occurrence de réduire de sept à deux le nombre d'étapes du procédé. D'où une réduction qualifiée de "significative" du coût de production de la vitamine C, dont le marché mondial dépasse le demi-milliard de dollars par an.

Abaisser la barrière énergétique

La biocatalyse consiste à déclencher et accélérer une réaction chimique en présence d'un biocatalyseur qui peut être une enzyme isolée ou un micro-organisme. Les étudiants en sciences le savent bien : les mécanismes réactionnels qui s'ajustent impeccablement sur le papier fonctionnent rarement aussi bien au niveau de la paillasse. Et les rendements obtenus frisent parfois le ridicule. C'est là qu'intervient le catalyseur dont le rôle est d'abaisser la barrière énergétique qui sépare le produit de départ du produit final. L'astuce consiste à passer par des étapes intermédiaires représentant chacune une barrière énergétique nettement plus faible. Auparavant, les chimistes avaient l'habitude d'utiliser des catalyseurs... chimiques (organométalliques, etc.). Avec la biocatalyse, ce sont les ressources du vivant qui sont mises à contribution. Schématiquement, le substrat de départ (S) se fixe d'abord sur une enzyme (E) pour former un complexe enzyme-substrat (E-S) qui va se transformer en complexe enzyme-produit (E-P), lequel va se dissocier pour redonner l'enzyme (E) et le produit (P).

« Actuellement, on considère que plus de cent trente procédés industriels de transformation exploitent le principe de la biocatalyse dans le monde, dont plus de la moitié dans le domaine de la pharmacie », explique Christophe Salagnad, responsable des développements biochimiques chez Aventis Pharma. En 1990, ce chiffre était d'environ soixante et en 1980, on dénombrait seulement une vingtaine de procédés de biotransformation. La progression de la biocatalyse est donc quasiment exponentielle, certes à l'échelle de la décennie.

D'autres chiffres indiquent que l'on n'est vraisemblablement qu'au tout début de son essor. « Moins de trente enzymes représentent plus de 90 % des enzymes industrielles utilisées dans le monde », explique Thibaut Victor-Michel du cabinet de conseil Alcimed. Or, la plupart de ces enzymes industrielles sont d'origine microbiennes et seule une toute petite fraction des micro-organismes vivant sur notre planète a pour l'instant été identifiée. Des milliers d'enzymes à potentiel industriel restent donc à découvrir au sein de la biodiversité qui nous entoure.

Des réactions dans des conditions douces

Comparées aux catalyseurs traditionnels, les enzymes naturelles ont un atout majeur : elles catalysent les réactions complexes du vivant dans des conditions relativement douces de température, de pH et de concentration, le tout généralement en phase aqueuse. L'idée est donc de les exploiter pour réaliser des réactions industrielles dans des conditions plus favorables qu'actuellement et, donc, d'améliorer le bilan énergétique.

Une autre piste consiste à considérer le potentiel d'enzymes vivant dans des conditions extrêmes (comme les fonds sous-marins) et donc a priori capables de catalyser des réactions dans des conditions particulières, notamment en fluides supercritiques.

Ce n'est pas tout. L'autre atout des biocatalyseurs comme les enzymes est leur remarquable sélectivité. Non seulement elles sont chimiosélectives, c'est-à-dire aptes à reconnaître un certain type de molécules, mais elles sont aussi régio-sélectives et donc capables de cibler précisément un site d'une molécule complexe. Cette régio-sélectivité est un paramètre majeur : elle permet de supprimer les étapes de "protection/déprotection" souvent nécessaires dans les procédés chimiques traditionnels. Enfin, la stéréosélectivité des enzymes leur permet d'agir sur un isomère optique pour orienter la réaction et produire le principe actif désiré et non pas un mélange. Ainsi, la sélectivité des biocatalyseurs permet à la fois de gagner en productivité et en qualité. Mais aussi d'améliorer le bilan environnemental du procédé en réduisant les étapes et les quantités de produits secondaires parfois toxiques.

Développement durable

Dans ce sens, la biocatalyse s'inscrit complètement dans le cadre du développement durable que les industriels ne peuvent ignorer. L'un des plus beaux exemples provient de la société allemande Biochemie (dans le giron de Sandoz depuis mai 2003) qui annonce avoir réduit d'un facteur 100 la production d'effluents dans la production du 7-ACA. Cet acide 7-amino céphalosporinique est utilisé comme précurseur de certains antibiotiques. Le bilan environnemental très favorable par rapport au procédé chimique utilisé précédemment s'explique facilement. Le bioprocédé choisi se fait en seulement deux étapes (au lieu de quatre auparavant), utilisant une oxydase et une amidase, et n'entraîne plus que des rejets aqueux. En outre, la synthèse s'opère à température ambiante. Au passage, l'industriel reconnaît avoir en plus divisé par quatre ses coûts de production !

Sans faire l'inventaire des cent trente et quelques procédés industriels utilisant la biocatalyse, on peut noter les groupes chimiques et pharmaceutiques mondiaux les plus impliqués. BASF exploite, par exemple, les propriétés de stéréosélectivité des enzymes dans le cadre de son activité ChiPros sur les produits chiraux (non superposables à leur image dans un miroir). Cette activité est focalisée sur la synthèse d'acides, d'amines et d'alcools optiquement actifs. Ces procédés sont catalysés par des enzymes du type lipases et nitrilases.

Des productions à échelle industrielle

Chez Degussa (Allemagne), la biocatalyse est principalement appliquée à la synthèse d'acides aminés. En Suisse, Lonza industrialise plusieurs procédés dont celui de la niacinamide (vitamine B3) à hauteur de plus de 3 000 tonnes par an. Il s'agirait de la plus importante production en Europe faisant intervenir la biocatalyse. Aux États-Unis, Du Pont de Nemours utilise la biocatalyse pour la production de son nouvel herbicide l'azafenidine et pour la valorisation d'un de ses sous-produits de la fabrication du nylon.

Le groupe chimique le plus impliqué au monde dans la biocatalyse est toutefois le hollandais DSM, avec plus de 25 procédés industriels répertoriés : depuis la synthèse de l'aspartame à celle d'intermédiaires pour la production d'antibiotiques en passant par la fabrication d'acides aminés. Selon le produit, ces procédés sont exploités à hauteur de 100 voire 1 000 tonnes par an. DSM annonce d'ailleurs que 20 % de ses projets en cours font appel à la biocatalyse. Il faut dire que ce groupe chimique a une position bien à part : c'est l'un des plus importants producteurs d'enzymes au monde. Avec environ 8 % du marché mondial, DSM est le troisième producteur d'enzymes, derrière l'américain Genencor (21 %) et le danois Novozymes (42 %). En fait, ces chiffres sont trompeurs puisqu'ils représentent le marché total des enzymes, dont la biocatalyse ne représente qu'une toute petite partie. Ainsi, Novozymes, tout numéro un mondial qu'il est, ne commercialise que... douze enzymes pour la biocatalyse.

Or l'industriel ne peut pas toujours se satisfaire des quelque dizaines d'enzymes disponibles sur catalogue pour ses développements en cours. « L'industrie pharmaceutique utilise certes les enzymes du commerce dans la mise au point d'entités chimiques à l'échelle de quelques kilogrammes pour réaliser les essais cliniques, explique Christophe Salagnad chez Aventis Pharma. Mais c'est rarement le procédé qui sera industrialisé. » Pour les phases ultérieures où la voie de synthèse va progressivement se figer, il existe peu de temps pour explorer de nouvelles possibilités de catalyse. C'est là qu'interviennent les techniques de miniaturisation et de criblage à haut débit. Ces méthodes permettent aujourd'hui de tester plusieurs centaines de micro-organismes en un ou deux mois et ainsi trouver l'activité enzymatique désirée. DSM l'a bien compris qui mettait principalement l'accent sur le criblage à haut débit lors du dernier colloque mondial sur la biocatalyse, BioCat'2003, en décembre dernier à Barcelone.

Évolution dirigée d'enzymes

Une autre tendance majeure est en train de modifier complètement la biocatalyse industrielle. « Traditionnellement, les caractéristiques des enzymes disponibles imposaient leurs limites aux procédés industriels. Aujourd'hui, de nouvelles approches permettent de proposer aux industriels des biocatalyseurs sur mesure pour leurs procédés », explique Jean-Marie Sonet, directeur du développement et du marketing de Protéus, société nîmoise de biotechnologies. Il s'agit d'une part d'exploiter de manière accrue les ressources de la biodiversité naturelle. Mais aussi d'utiliser les technologies d'ingénierie des protéines comme l'évolution dirigée (gene shuffling). Cette approche consiste à simuler de façon accélérée l'évolution naturelle et est fondée sur une succession de cycles de recombinaison et de sélection.

Une bonne nouvelle est que la France est particulièrement bien représentée sur le créneau de l'évolution dirigée. Ainsi, Protéus se focalise sur l'évolution dirigée d'enzymes extrémophiles. À Evry, Biométhodes exploite sa technologie de mutagenèse dirigée combinatoire à haut débit Massive Mutagenesis. La société, qui a notamment collaboré avec GlaxoSmithKline, a déjà réussi à augmenter d'un facteur 20 l'activité d'une enzyme.

Accords et partenariats

Aux États-Unis, la société californienne Codexis applique la technologie MolecularBreeding de sa maison mère Maxygen pour des clients comme Pfizer et DSM. Enfin, Diversa (San Diego) a récemment annoncé deux partenariats majeurs sur l'exploitation de sa méthode DirectEvolution. Un contrat de six ans a été signé en 2003 avec Du Pont de Nemours pour développer des biocatalyseurs pour la production de polymères. Tandis qu'un accord a été conclu en janvier 2004 avec DSM sur le développement de biocatalyseurs pour la synthèse d'intermédiaires pharmaceutiques.

ENJEU

- La biocatalyse consiste à exploiter les propriétés catalytiques d'enzymes ou de micro-organismes pour déclencher et accélérer des réactions chimiques. - Actuellement, plus de 130 procédés industriels sont concernés dans le monde. - La tendance n'est plus d'adapter les procédés aux enzymes disponibles mais de concevoir des biocatalyseurs sur mesure en fonction des paramètres des industriels.

IMPACT

- Augmentation de la productivité des procédés grâce à la grande sélectivité des enzymes. - Amélioration du bilan énergétique grâce à des conditions de réactions plus douces (température, concentration, pH). - Respect de l'environnement grâce à la réduction de sous-produits toxiques et/ou l'utilisation de réactions en phase aqueuse.

TROIS MAUVAISES RAISONS D'ÉCARTER LA BIOCATALYSE

Les industriels rechignent souvent à utiliser les enzymes au prétexte que 1. Les enzymes coûtent cher FAUX Si leur prix peut sembler élevé, c'est le surcoût au niveau du produit final qu'il faut considérer. Or, ce surcoût est souvent faible en raison de la réduction du nombre d'étapes du procédé et de la qualité du produit final qui nécessite moins de purification. 2. Elles sont trop instables FAUX Si les enzymes sont souvent instables à températures élevées et pH extrêmes, leur intérêt est justement d'être efficaces dans des conditions plus douces. En outre, les enzymes seront encore plus stables si elles sont immobilisées. 3. Leur productivité est faible FAUX Dans les étapes de transformation enzymatique en une seule étape, on peut atteindre des productivités de quelques centaines de grammes par litre et par heure (avec des enzymes immobilisées).

UN FORMIDABLE POTENTIEL

Aujourd'hui - 30 enzymes seulement couvrent la quasi-majorité des applications de biocatalyse industrielle. Demain - Des milliers d'autres biocatalyseurs restent à découvrir pour élargir les possibilités d'utilisation dans l'industrie.

L'AVIS DE L'EXPERT « LA FRANCE DOIT RATTRAPER SON RETARD. »JEAN BUENDIA PRÉSIDENT DU COMITÉ BIOTECH

Le comité Biotech (créé à l'initiative de la Société de chimie industrielle) oeuvre à la promotion de la biocatalyse en France. Un sujet que son président connaît particulièrement bien pour l'avoir lui-même pratiqué dès les années 1980 comme chercheur chez Roussel-Uclaf. Son constat est plutôt sévère. « Contrairement aux pays comme le Danemark, les Pays-Bas, la Suède et la Suisse, la biocatalyse se développe très lentement en France. Pour tenter d'en comprendre les raisons et d'y remédier, nous venons de créer au sein du Comité Biotech un groupe de réflexion sur la biocatalyse. On constate que le problème se pose dès la formation de nos ingénieurs chimistes. Si on s'intéresse beaucoup aux technologies en "-omique" comme la génomique ou la protéomique, la catalyse enzymatique n'est pas toujours enseignée. Des réticences industrielles Autre constat qui reflète la situation paradoxale de la France : si nos groupes de recherches universitaires sont de qualité, le transfert et l'exploitation technologique par l'industrie suivent difficilement. Il est vrai que nous n'avons pas en France de sociétés de la dimension de Novozymes, Genencor ou DSM qui se répartissent l'essentiel du marché mondial des biocatalyseurs. Par ailleurs, il faut faire comprendre aux industriels français qu'il s'agit d'une approche multidisciplinaire et que leurs réticences à propos des enzymes sont maintenant souvent infondées. »

PROTÉUS CONÇOIT DES ENZYMES AJUSTÉES AUX APPLICATIONS

Créé en 1998 à Nîmes (Gard), Protéus est spécialisé dans la recherche sur les enzymes issues de micro-organismes "extrémophiles" (c'est-à-dire vivant dans des conditions extrêmes comme les fonds sous-marins). Ces enzymes sont intéressantes car elles sont capables de catalyser des réactions dans des conditions difficiles de pH, de température, de concentration... Des conditions qu'on retrouve souvent dans les procédés industriels, d'où l'intérêt de ces enzymes comme biocatalyseurs industriels. Dix-huit nouvelles enzymes Pour mener à bien ses recherches, Protéus dispose d'une collection de micro-organismes "extrémophiles" sans doute unique au monde. « Afin de déterminer les biocatalyseurs intéressants, nous avons conçu deux outils de criblage à haut débit (Phenomics et Clips-O) qui permettent un accès direct aux fonctions des enzymes et aux gènes correspondants, explique Jean-Marie Sonet, directeur du développement et du marketing de Protéus. Nous avons également conçu une autre approche qui s'apparente à celle d'un "éleveur d'enzymes" : notre technologie d'évolution dirigée L-Shuffling, nous permet de développer des enzymes finement ajustées aux applications industrielles visées. » Courant 2003, la société a ainsi mis en évidence dix-huit enzymes (du type alcool hydrogénases thermoactives) utilisables en particulier pour la production d'intermédiaires de synthèse et de produits pharmaceutiques chiraux. Par ailleurs, Protéus collabore avec le chimiste allemand Degussa sur la recherche de biocatalyseurs destinés notamment à la synthèse de dérivés organiques de corps gras et de silicones.

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