Pendant des dizaines de milliers d’années, les humains ont compté sur la nature pour leur fournir tout ce dont ils avaient besoin pour se sentir mieux. Ils ont tissé des vêtements et des tissus en laine, en coton ou en soie, et les ont teints avec des couleurs dérivées de plantes et d’animaux. Les arbres fournissaient les matériaux nécessaires à la construction des maisons, des meubles et des équipements. Mais tout cela a changé au cours de la première moitié du XXe siècle, lorsque la chimie organique a mis au point des méthodes permettant de créer nombre de ces produits à partir du pétrole. Les polymères synthétiques dérivés du pétrole, colorés avec des colorants artificiels, ont rapidement remplacé les fibres naturelles dans les vêtements et les tissus. Les plastiques ont rapidement remplacé le bois et les métaux dans de nombreux articles de consommation, bâtiments et meubles. Cependant, la biologie est peut-être sur le point de prendre sa revanche sur ces biens de consommation synthétiques à base de pétrole. Des réglementations environnementales plus strictes et la masse croissante de matières synthétiques non dégradables dans les décharges ont rendu les produits biodégradables de nouveau attrayants. Les préoccupations croissantes concernant la dépendance à l’égard des importations de pétrole, en particulier aux États-Unis, et la prise de conscience que les réserves mondiales de pétrole ne sont pas illimitées sont des facteurs supplémentaires qui incitent les industries chimiques et biotechnologiques à explorer les richesses de la nature à la recherche de méthodes pour remplacer les produits synthétiques à base de pétrole.

Une branche entière de la biotechnologie, connue sous le nom de « biotechnologie blanche », s’y consacre. Elle utilise des cellules vivantes – levures, moisissures, bactéries et plantes – et des enzymes pour synthétiser des produits facilement dégradables, nécessitant moins d’énergie et créant moins de déchets lors de leur production. Cette évolution n’est pas récente : en fait, la biotechnologie contribue depuis longtemps aux processus industriels. Depuis des décennies, les enzymes bactériennes sont largement utilisées dans l’industrie alimentaire et comme ingrédients actifs dans les poudres à laver afin de réduire la quantité de tensioactifs artificiels. Des Escherichiacoli transgéniques sont utilisés pour produire de l’insuline humaine dans des cuves de fermentation à grande échelle, et la première enzyme de conception rationnelle, utilisée dans les détergents pour décomposer les graisses, a été introduite dès 1988. Les avantages de l’exploitation des processus et produits naturels sont multiples : ils ne dépendent pas des ressources fossiles, sont plus efficaces sur le plan énergétique et leurs substrats et déchets sont biologiquement dégradables, ce qui contribue à réduire leur impact environnemental. En utilisant des substrats et des sources d’énergie de substitution, la biotechnologie blanche apporte déjà de nombreuses innovations aux industries chimique, textile, alimentaire, de l’emballage et des soins de santé. Il n’est donc pas surprenant que les universitaires, les industriels et les décideurs politiques s’intéressent de plus en plus à cette nouvelle technologie, à son économie et à ses contributions à un environnement sain, ce qui pourrait en faire une méthode crédible pour le développement durable.

L’un des premiers objectifs à l’ordre du jour de la biotechnologie blanche a été laproduction de plastiques biodégradables. Au cours des 20 dernières années, ces efforts se sont principalement concentrés sur les polyesters de 3-hydroxyacides (PHA), qui sont naturellement synthétisés par une large gamme de bactéries comme réserve d’énergie et source de carbone. Ces composés ont des propriétés similaires à celles des thermoplastiques synthétiques et des élastomères, du propylène au caoutchouc, mais ils sont entièrement et rapidement dégradés par les bactéries dans le sol ou l’eau. Le PHA le plus abondant est le poly(3-hydroxy-butyrate) (PHB), que les bactéries synthétisent à partir de l’acétyl-CoA.Se développant sur le glucose, la bactérie Ralstonia eutropha peut amasser jusqu’à 85%de son poids sec en PHB, ce qui fait de ce micro-organisme une usine bioplastique miniature.

L’une des principales limites à la commercialisation de ces plastiques bactériens a toujours été leur coût, car leur production est 5 à 10 fois plus coûteuse que celle des polymères issus du pétrole. Beaucoup d’efforts ont donc été consacrés à la réduction des coûts de production par le développement de meilleures souches bactériennes, mais récemment une alternative potentiellement plus économique et respectueuse de l’environnement a émergé, à savoir la modification des plantes pour synthétiser les PHAs. Une petite quantité de PHB a été

produits pour la première fois dans Arabidopsisthaliana après l’introduction de gènes R. eutropha codant pour deux enzymes essentielles à la conversion de l’acétyl-CoA en PHB (Poirier et al., 1992). Monsanto (St Louis, MO, USA) a ensuite amélioré ce procédé en 1999. Bien que cette nouvelle vague de polymères ait un énorme potentiel, le moment de son évolution est incertain. Après un enthousiasme initial, Monsanto et AstraZeneca (Londres, UK) ont abandonné ces projets pour des raisons de coût. « La production de biopolymères à partir de plantes est un défi scientifique prometteur et fascinant », a déclaré Yves Poirier, du Laboratoire de biotechnologie végétale de l’Institut d’écologie de l’Université de Lausanne, en Suisse. Il pense que les entreprises sont réticentes à poursuivre ces projets car ils nécessitent des investissements à long terme qui ne correspondent pas aux calendriers financiers et temporels des entreprises. « D’autres modifications génétiques doivent encore être introduites dans les plantes pour les améliorer », a-t-il déclaré, « et une fois que ces plantes seront créées, elles nécessiteront des protocoles de récolte et de traitement spécifiques, par rapport aux plantes ordinaires. Tout cela se traduit par de lourds investissements dans de nouvelles infrastructures et de nouveaux systèmes de traitement et par un temps considérable ». Huit à dix ans est son estimation approximative du temps qu’il faudra avant que les PHA produits par les plantes puissent devenir économiquement viables.

Les projets de fabrication d’un T-shirt à partir de sucre de maïs sont dans la même impasse. Dupont (Wilmington, DE, USA), l’entreprise qui a inventé le nylon, développe depuis plusieurs années un polymère à base de 1,3-propanediol (PDO), avec de nouveaux niveaux de performance, de résilience et de douceur. Ajoutant une dimension écologique à la production, l’usine de polymérisation de Dupont à Decatur, Illinois (États-Unis), a réussi à fabriquer du PDO à partir de sucre de maïs, une ressource renouvelable. Mais si leur polymère à base de maïs, appelé Sorona®, est plus respectueux de l’environnement et présente des caractéristiques améliorées, c’est encore aux marchés qu’il revient d’en faire un succès. « L’entreprise prévoit un passage efficace de la production à base de pétrole à celle à base de plantes », a déclaré Ian Hudson, directeur commercial du Sorona® chez Dupont, « mais cela se fera si le processus économique et les demandes du marché justifient la transition. »

Cargill Dow (Minnetonka, MN, USA) a fait un pas de plus. La société a développé un biopolymère innovant, NatureWorks™, qui peut être utilisé pour fabriquer des articles tels que des vêtements, des emballages et du mobilier de bureau. Le polymère est dérivé de l’acide lactique, qui est obtenu par la fermentation du sucre de maïs. Il a déjà été mis sur le marché de manière efficace et est apparu récemment dans les épiceries américaines comme contenant pour les aliments biologiques.

Un autre produit qui pourrait bénéficier grandement de la biotechnologie innovante est le papier. Une grande partie du coût et de la pollution considérable impliqués dans le processus de fabrication du papier est causée par le « krafting », une méthode pour enlever la lignine du substrat de bois. La lignine est le deuxième polymère le plus abondant dans la nature après la cellulose et assure la stabilité structurelle des plantes. Compte tenu des avantages économiques considérables qui pourraient être obtenus, de nombreux efforts de recherche ont été déployés pour réduire la quantité de lignine ou modifier la structure de la lignine dans les arbres, tout en préservant leur croissance et leur intégrité structurelle. Des arbres génétiquement modifiés présentant ces propriétés existent déjà (Hu et al., 1999 ; Chabannes et al., 2001 ; Li et al., 2003), mais il est probable qu’ils ne rapporteront pas d’argent de sitôt. Bien que l’industrie papetière puisse réaliser des bénéfices considérables en réduisant les coûts de production, aucun projet d’envergure n’a encore été entrepris dans cette direction. Alain Boudet, professeur au Centre de biotechnologie végétale de l’Université Paul Sabatier (Castanet-Tolosan, France), a identifié deux obstacles majeurs à la commercialisation du bois transgénique. « Tout d’abord, les arbres dont la lignine a été modifiée devront faire l’objet d’un plus grand nombre de tests sur leurs performances réelles sur le terrain, en dehors du laboratoire, avant d’être utilisés à grande échelle », a-t-il expliqué. « Ensuite, et avec beaucoup plus de difficultés, il faudra conquérir l’acceptation du public à des organismes transgéniques encore nouveaux et à la distribution de produits qui en dérivent. »

La biotechnologie blanche se concentre également sur la production d’énergie à partir de ressources et de biomasses renouvelables. L’amidon du maïs, des pommes de terre, de la canne à sucre et du blé est déjà utilisé pour produire de l’éthanol comme substitut de l’essence – la première voiture d’Henry Ford fonctionnait à l’éthanol. Aujourd’hui, certains carburants vendus au Brésil sont de l’éthanol pur dérivé de la canne à sucre, et le reste contient 20 % d’éthanol. Aux États-Unis, 10 % du carburant vendu est un mélange de 90 % d’essence et de 10 % d’éthanol. D’après le rapport 2001 de l’Organisation de coopération et de développement économiques sur la biotechnologie et la durabilité industrielle, les États-Unis comptent aujourd’hui 58 usines de carburant, qui produisent près de 6 milliards de litres d’éthanol par an.

Mais la transformation de l’amidon en éthanol n’est ni la méthode la plus efficace sur le plan environnemental ni la plus efficace sur le plan économique, car la culture de plantes pour la production d’éthanol implique l’utilisation d’herbicides, de pesticides, d’engrais, d’irrigation et de machines. Des entreprises telles que Novozymes (Bagsvaerd, Danemark), Genencor (PaloAlto, CA, USA) et Maxygen (Redwood City, CA, USA) explorent donc des pistes pour dériver de l’éthanol spécifiquement à partir de la matière cellulosique du bois, des herbes et, de façon plus intéressante, des déchets agricoles. Une grande partie de leurs efforts est concentrée sur le développement de cellulases bactériennes plus efficaces qui peuvent décomposer les déchets agricoles en sucres simples pour créer un substrat brut plus abondant et moins cher pour la production d’éthanol.

Des visionnaires pleins d’espoir ont déjà commencé à parler d’une « économie des glucides » remplaçant l’ancienne « économie des hydrocarbures ». Cependant, « faire de la biomasse une matière première efficace n’est pas un processus bon marché », a rappelé KirstenStær, directrice de la communication avec les parties prenantes chez Novozymes. Pour que la production de biocarburants puisse être lancée et fonctionner sur une base commerciale, parallèlement au développement de nouveaux systèmes de collecte des matières premières et à la création d’usines de production spéciales, une tarification différente des biocarburants sera nécessaire, a-t-elle ajouté. « La structure des prix des combustibles fossiles est fixée sur le marché par des cadres réglementaires. Si l’on veut que la production de biocarburants soit un succès, il sera nécessaire d’appliquer des politiques qui introduisent des subventions à la production de bioéthanol, par exemple, ou de mettre des taxes sur la production de combustibles fossiles », a déclaré Mme Stær.

Cela n’a pas empêché J. Craig Venter de fonder l’an dernier l’Institute forBiological Energy Alternatives (IBEA) à Rockville, dans le Maryland (USA), pour plaider en faveur de la production de formes d’énergie plus propres. L’IBEA a récemment reçu une subvention de 3 millions de dollars du ministère américain de l’énergie, principalement pour concevoir un micro-organisme artificiel capable de produire de l’hydrogène. Privé des gènes de formation du sucre qui utilisent normalement les ions hydrogène, cet organisme pourrait consacrer toute son énergie à la production d’hydrogène excédentaire et, idéalement, devenir un producteur d’énergie synthétique.

La biotechnologie blanche peut également profiter à la médecine et à l’agriculture. La vitamineB2 (riboflavine), par exemple, est largement utilisée dans l’alimentation animale, l’alimentation humaine et lescosmétiques

et a traditionnellement été fabriquée dans un processus chimique en six étapes. Chez BASF (Ludwigshafen, Allemagne), plus de 1 000 tonnes de vitamine B2 sont désormais produites par an en une seule fermentation. En utilisant le champignon Ashbya gossypii comme biocatalyseur, BASF a obtenu une réduction globale des coûts et de l’impact environnemental de 40 %. De même, la céphalexine, un antibiotique actif contre les bactéries à Gram négatif et normalement produit par une longue synthèse chimique en dix étapes, est désormais produite par un processus plus court basé sur la fermentation chez DSM Life Sciences Products (Heerlen, Pays-Bas). Cependant, la vitamine B2 n’est qu’un exemple de réussite – d’autres vitamines et médicaments sont toujours moins chers à produire avec la chimie organique classique qu’avec la biotechnologie blanche innovante.

Néanmoins, les avantages potentiels pour l’environnement du passage aux matières premières et aux bioprocédés sont substantiels, pense Wolfgang Jenseit de l’Institut d’écologie appliquée (Fribourg, Allemagne). « Les nouveaux processus de bioproduction remplacent des réactions chimiques complexes. Cela correspond bien sûr à d’importantes économies d’énergie et d’eau », explique-t-il. L’atmosphère en bénéficie également : le carbone nécessaire à la production de bioéthanol à partir de la biomasse a été piégé par les plantes dans l’atmosphère, de sorte que sa réintroduction par la combustion de l’éthanol ne contribue pas au réchauffement de la planète, a souligné M. Jenseit. C’est certainement une bonne nouvelle pour les pays qui se sont engagés à limiter les émissions de gaz à effet de serre en ratifiant le traité de Kyoto.

Et les avantages économiques devraient suivre. Selon le cabinet de conseil mondial McKinsey & Company, la biotechnologie blanche occupera jusqu’à 10-20% de l’ensemble du marché chimique en 2010, avec des taux de croissance annuels de 11-22 milliards d’euros. Il existe toutefois d’énormes différences dans la manière dont la biotechnologie blanche est gérée en Europe et aux États-Unis, a déclaré Jens Riese, associé principal de McKinsey & Company, basé à Francfort. « Tout d’abord, la somme globale investie aux États-Unis dans le secteur de la biotechnologie blanche est de 250 millions de dollars, une somme qui dépasse de loin le total des investissements européens », a-t-il déclaré. « Probablement poussés par une volonté géopolitique plus forte de devenir indépendants des importations de combustibles fossiles, les États-Unis ont montré une plus grande propension au développement de ces technologies. L’Europe, en revanche, est culturellement plus prudente et moins aventureuse dans l’acceptation de méthodologies innovantes. »

Mais la biotechnologie blanche a suscité l’intérêt en Europe. « Il y a uneconscience du besoin d’innovation dans cette direction », a déclaréOliver Wolf, responsable scientifique à l’Institut de prospective technologique de Séville, en Espagne. « Bien qu’il n’existe pas encore de législation spécifique, des mesures importantes sont prises pour promouvoir la biotechnologie blanche en Europe. » La biotechnologie blanche présente des avantages potentiellement importants, tant sur le plan économique qu’environnemental, pour un large éventail d’applications. La voie de son développement est en train d’être tracée, mais il s’agit d’une technologie relativement jeune qui doit concurrencer une industrie chimique mature, basée sur le pétrole, qui a eu près d’un siècle pour optimiser ses méthodes et ses processus de production. Néanmoins, les préoccupations croissantes concernant l’environnement et la possibilité d’un pétrole moins cher à l’avenir font de la biotechnologie blanche un concurrent sérieux.