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La biotechnologie environnementale, c’est quoi ?

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Qu’est ce qu’un Bioreporter ?

Comment fonctionne un Bioreporter ?

Un exemple concret : la détection du mercure (II) dans l’eau

La pollution au mercure : un réel problème environnemental

Des OGM, spécialistes de la détection du mercure

Des applications diverses

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La bioremédiation, c’est quoi ?

La bioremédiation, une nouvelle technologie ?

Exemple de bioaugmentation chez une souche E.coli

Alors comment accroître la capacité de fixation du mercure par de la bactérie E.coli au mercure ?

Les plantes génétiquement modifiées, l’avenir de la dépollution ?

Des recherches en cours

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Concernant les Bioreporters

A propos de la Bioremédiation

La question des OGM

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La bioremédiation, c’est quoi ?

La bioremédiation est littéralement « l’action de corriger un défaut, par exemple une pollution, à l’aide d’organismes vivants ». La bioremédiation est donc un ensemble de techniques qui utilisent les systèmes biologiques pour dépolluer l’air, l’eau et le sol : des organismes vivants sont utilisés pour absorber et/ou dégrader ou confiner une substance potentiellement toxique.

La bioremédiation isole, identifie et caractérise les micro-organismes capables de réaliser ces réactions. En effet, de par leur diversité, les micro-organismes peuvent dégrader, modifier la structure ou délocaliser différents types de polluants (hydrocarbure, mercure, plomb, dioxines,…). Les souches présentes naturellement dans les milieux à traiter sont utilisées préférentiellement mais des souches exogènes sélectionnées en laboratoire pour leur capacité de dégradation de composés spécifiques, peuvent être employées. L’utilisation de végétaux comme agents de confinement ou de dépollution est possible : c’est la phytoremédiation. Les plantes absorbent la substance par les racines ; elle est ensuite confinée à l’intérieur des vacuoles et/ou dégradée en molécules plus petites dans les racines ou les parties aériennes selon les contaminants et les propriétés spécifiques des espèces végétales.

Les racines des plantes peuvent être le promoteur de micro-organismes associés qui dégradent les substances organiques potentiellement toxiques (rhizodégradation).

La bioremédiation, une nouvelle technologie ?

La bioremédiation n’est pas une technologie nouvelle : en effet, l’utilisation d’engrais en agriculture et le traitement des eaux usées sont basés sur les micro-organismes et leurs capacités d’action. Quelques unes des actuelles technologies environnementales sont employées par l’être humain depuis la nuit des temps : l’utilisation de fumier comme engrais, par exemple, remonte à -6000 avant Jésus Christ. La technique la plus moderne de bioremédiation remonte, elle, à 1891, avec l’utilisation d’une plante pour le traitement des eaux usées. En fait, seul le terme « bioremédiation » est récent puisqu’il n’est apparu dans la littérature scientifique qu’en 1987. Il faudra cependant attendre les années 90, pour que les techniques de bioremédiation deviennent une alternative aux méthodes classiques et coûteuses de dépollution.

La biotechnologie environnementale permet donc une application efficace des mécanismes naturels de décontamination. Cependant l’arrivée du génie génétique appliqué à ces techniques de bioremédiation amène quelques améliorations, en permettant la bioaugmentation, c’est à dire l’accroissement de la capacité de rétention et de dégradation d’un organisme. Pour cela, on insère dans la plante ou dans la bactérie utilisée pour la décontamination, un gène synthétique ou appartenant à un autre organisme (bactérie, levure,…).

Exemple de bioaugmentation chez une souche E.coli

La souche bactérienne Escherichia coli est résistante au mercure (II) : elle le dégrade systématiquement en mercure ionique Hg2+, potentiellement toxique pour les êtres vivants, et le stocke au sein de la cellule.

En effet, E.coli possède des protéines, les polyhistidines et les thionéines, qui ont une très grande affinité pour les métaux, tels que le mercure. Ces protéines se lient de manière spécifique à la forme ionique des métaux, les piégeant ainsi à l’intérieur de la cellule. Elle est donc fréquemment utilisée pour la dépollution des eaux et des sols contaminés par le mercure.

Ce mode de capture naturel connaît cependant certaines limites. En effet, la diffusion du métal au travers de la membrane bactérienne ainsi que le nombre de protéines présentes dans E.coli sont des facteurs limitant la quantité de mercure absorbée.

Alors comment accroître la capacité de fixation du mercure par de la bactérie E.coli au mercure ? 

Accroître cette capacité de fixation chez la bactérie signifie augmenter le nombre de protéines capables de fixer le mercure. Pour cela, un gène issu de la plante Arabidopsis thaliana est inséré chez la bactérie. Celui-ci code pour une protéine, la phytochélatine synthase (AtPCS), dont le produit de la réaction enzymatique, un peptide (phytochélatine), est capable de former un complexe organo-métallique avec certains métaux ayant une affinité pour le soufre: l’affinité de ce peptide pour les ions métalliques est très importante et son insertion augmente le taux d’accumulation des métaux dans la bactérie. La séquence ADN de ce gène est donc insérée au sein d’un plasmide qui permettra à la bactérie dans laquelle il a été introduit, de produire le peptide végétal.

L’obtention de la séquence ADN du gène nécessite un protocole expérimental particulier : on commence par broyer des cellules végétales puis on les purifie pour isoler l’ARN complet de la plante. Puis cet ARN est mis en présence de la reverse transcriptase, une enzyme capable de produire de l’ADN à partir d’ARN.  Une amorce spécifique est également ajoutée afin de ne transcrire que la séquence du gène d’intérêt. On obtient ainsi de nombreuses copies ADN du gène que l’on appelle des ADN complémentaires (ADNc) et qui seront insérés au sein d’un plasmide (petite portion d’ADN double brin circulaire que l’on l’appelle également vecteur car il permet l’introduction de gènes étrangers dans une cellule).

La bioremédiation

Chez les bactéries, les gènes portés par le plasmide sont exprimés grâce au métabolisme bactérien. Quand on insère le gène issu d’A. thaliana dans le plasmide, il faut donc s’assurer qu’il sera « lu » par la bactérie. Pour cela, il faut intégrer dans le plasmide un promoteur bactérien qui permet la fixation, sur son ADN, des protéines bactériennes impliquées dans le processus de transcription. On insère également un gène dit de résistance : il confère aux bactéries ayant le vecteur, la résistance à un antibiotique. Ce gène nous permet ainsi de sélectionner les bactéries ayant intégré le plasmide, car elles seules survivent en présence d’antibiotique.

Une fois ce protocole expérimental exécuté, les bactéries E. coli sont porteuses du gène d’A.thaliana. L’entrée de mercure dans la bactérie va entraîner la synthèse des thionéines naturelles d’E.coli et des AtPCS de la plante. Les thionéines possèdent une forte capacité de complexation avec certains ions métalliques dont le mercure Hg2+ ; elles vont piéger le métal en s’y fixant, formant ainsi de la métallothionéine. De leur côté, les AtPCS vont synthétisées des peptides, les phytochélatines, qui vont elles aussi piéger les ions mercure mais de façon plus importante.

L’insertion chez la bactérie E. coli d’un gène d’origine végétale a donc permis une augmentation de nombre de peptides avec des résidus thiols liant le mercure et une accumulation plus importante du contaminant à l’intérieur des cellules bactériennes.

Les plantes génétiquement modifiées, l’avenir de la dépollution ?

Les vertus thérapeutiques des plantes sont bien connues de tous, mais leurs propriétés de dépollution sont, elles, bien plus ignorées. En effet, capables de pousser sur des sols contaminés par des substances potentiellement toxiques, certaines plantes peuvent stocker dans leur tige et leurs feuilles, 10 à 500 fois plus de contaminants que d’autres plantes. On dit qu’elles sont « hyperaccumulatrices ». Depuis les années 90, plus de 400 espèces végétales possédant cette propriété ont été répertoriées. Elles sont entre autre capables d’accumuler du nickel, du plomb, du cuivre, du zinc, du sélénium et de l’arsenic.

Rapidement, ces plantes sont devenues des éléments intéressants pour les méthodes de dépollution. En effet, une fois les substances potentiellement toxiques stockées dans la plante, il suffit de la récolter et de valoriser les biomasses dans différents procédés permettant de recycler les éléments et d’utiliser les carbohydrates. C’est ce qu’on appelle la « phytoremédiation », un procédé moins coûteux que les techniques actuelles de dépollution. Cependant peu de plantes issues des écosystèmes sont susceptibles d’être utilisées car une grande capacité de stockage est nécessaire. L’arrivée du génie génétique dans les techniques de phytoremédiation a donc permis de franchir cette limite, apportant ainsi de nouvelles améliorations. En effet, les chercheurs peuvent augmenter les performances des plantes en termes de tolérance, de stockage, etc ou leur conférer de nouvelles capacités grâce à la technique de transgénèse.

Ainsi la plante Arabidopsis thaliana a été transformée génétiquement afin de multiplier par trois sa capacité naturelle de stockage d’un composé potentiellement toxique, l’arsenic. Elle est ainsi devenue une plante potentiellement capable de dépolluer un sol contaminé bien que sa production de biomasse reste encore limitée par rapports à celle d’autres végétaux accumulants naturellement 6 à 8 fois plus de métaux lourds (c’est le cas par exemple de certains tournesols mutants naturels, non modifiés génétiquement).

D’autres recherches sont en cours pour améliorer les propriétés de certaines plantes à extraire des éléments traces du sol : ainsi, par exemple, l’incinération de ces végétaux génétiquement modifiés permettrait de concentrer les métaux dans les cendres puis de les récupérer pour les réutiliser en métallurgie.

La phytoremédiation est un axe de recherche qui se développe de manière importante depuis quelques années. Cette technique pourrait à terme permettre l’élimination de métaux, de pesticides, de solvants, d’explosifs et d’hydrocarbures.

Des recherches en cours

De nombreuses recherches sont menées aujourd’hui pour comprendre la nature des mécanismes microbiens et végétaux qui ont lieu lors des processus de bioremédiation.

La dégradation par les micro-organismes de polluants, tels que les huiles, les fuels et les divers solvants présents dans le sol, constitue aujourd’hui un axe de recherche important. En effet, des micro-organismes ont été utilisés pour aider à la dépollution suite à la marée noire de 1989 en Alaska puis celle de 1999 en Bretagne et en Vendée. Ceci a permis à la bioremédiation d’être aujourd’hui reconnue comme une action complémentaire et indispensable aux voies physico-chimiques de dégradation des hydrocarbures.

Une équipe de recherche de Banyuls étudie actuellement les mécanismes de dégradation des bactéries d’un point de vue génétique et biochimique ; les chercheurs espèrent ainsi pouvoir mettre en œuvre des stratégies applicables à la bioremédiation de ces polluants.

La bioremédiation trouve également une application dans le domaine du nucléaire : une équipe de scientifiques a récemment réussi à créer une souche de bactéries capables de transformer du mercure ionique potentiellement très toxique en mercure ordinaire, moins toxique et volatile. Pour cela, ils ont utilisé deux souches bactériennes : Escherichia coli, résistante au mercure ionique et Deinococcus radiodurans, résistante aux radiations. Cette nouvelle bactérie pourrait à l’avenir aider au traitement des déchets lors de la production d’armes nucléaires.

La sélection de variétés de plantes génétiquement modifiées, extrêmement résistantes aux milieux polluants et capables d’accumuler une quantité importante de substances potentiellement toxiques, semble être également une solution possible pour résoudre les problèmes de pollution auquel l’homme est confronté. Des plantes génétiquement modifiées sont aujourd’hui capables de filtrer l’eau et le sol puis d’absorber les polluants. Elles seraient notamment fort utiles pour la décontamination des milieux pollués par les activités agricoles, industrielles et urbaines.

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