Cours Introduction Aux Biotechnologies L2 Biotechnologie [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITE FERHAT ABBAS –SETIF 1 FACULTE DES SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA VIE DEPARTEMENT DES ETUDES DE BASE

Cour Introduction aux biotechnologies

A l’usage des étudiants de L2 Biotechnologie

Elaboré par : Dr AMOR Loubna

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Ӏ. Introduction Ӏ.1. Définitions Ӏ.1.1. Qu’est ce que la Biotechnologie La biotechnologie est une science multidisciplinaire qui associe les potentialités d‘une entité vivante ou une partie de cette entité à différentes techniques et procédés dans un but économique. Actuellement la biotechnologie est considérée parmi les technologies les plus émergentes, en raison des grands progrès de la biologie moléculaire ces dernières années. I.1.2. Origine étymologique du mot Biotechnologie Le mot biotechnologie est formé de deux termes : 

Bio dont l‘origine grec est Bios ce qui signifie la vie. Ce terme à évolué au mot Biologie au début du XIXème .



Technologie venant du grec Technologia. Ce mot est apparu dans les textes français en 1656 pour désigner « l‘étude des techniques, des outils, des machines et des matériaux »

Selon Robert Bud, le terme «biotechnologie» a été utilisé par le hongrois Károly Ereky en 1919 pour décrire une technologie basée sur la conversion des matières premières organiques en un produit plus utile dans un livre intitulé «La biotechnologie de la viande, la graisse et la production de lait dans une agriculture à grande échelle». Depuis son apparition, la notion de la biotechnologie a été définie de diverses manières. Ӏ.1.3. Quelques Définitions de la Biotechnologie Donner une définition de la biotechnologie s‘avère difficile car le domaine englobe différentes activités scientifiques et de production. En outre, la biotechnologie couvre une vaste gamme de concepts biologiques et technologiques. Cependant, l‘absence d‘une définition générale n‘a pas freiné la progression du développement biotechnologique. Ceci est une liste des définitions de la biotechnologie utilisées par les organisations de divers pays. La plupart de ces définitions englobent les biotechnologies anciennes et nouvelles. 2

A. Définition des Nations Unies 

Selon l‘article 2 de la Convention des Nations Unies sur la diversité biologique de Rio 1992, la biotechnologie est définie comme : «toute application technologique utilisant des systèmes biologiques, organismes vivants, ou leurs dérivés, pour fabriquer ou modifier des produits ou des procédés spécifiques ».



Selon l‘article 3 du Protocole de Cartagena, signé à Montréal en Janvier 2000 sur la prévention des risques biotechnologique, la définition tient compte de deux aspects distincts : a- La biotechnologie comme «l‘application des acides nucléiques et des techniques in vitro, y compris l‘acide désoxyribonucléique recombinant (ADN) et l‘injection directe d'acides nucléiques dans les cellules ou les organelles, b- la fusion de cellules de familles taxonomiques différentes, pour surmonter les barrières physiologiques de reproduction ou recombinantes. Ces fusions sont différentes des techniques utilisées dans sélection et élevage traditionnels.

B. Définition de la FAO (Organisation des Nations-Unies pour l’Alimentation et l’Agriculture) Cette organisation donne deux définitions complémentaires de la biotechnologie : « L‘utilisation de procédés biologiques ou d‘organismes vivants pour la production de matières et de services bénéfiques à l‘humanité. La biotechnologie implique l‘utilisation de techniques qui augmentent la valeur économique des végétaux et des animaux et développent des microorganismes afin d‘agir dans l‘environnement ». « La biotechnologie implique la manipulation, sur des bases scientifiques, d‘organismes vivants, particulièrement à l‘échelle génétique, afin de produire des nouveaux produits tels que les hormones, les vaccins, les anticorps monoclonaux, etc. ». Ӏ.2. Les origines des biotechnologies Ӏ.2.1. La fermentation C‘est un phénomène naturel, se produisant lors de la décomposition de la matière organique par les microorganismes, substrats glucidiques notamment, sans utilisation

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d'oxygène. Au cours de cette dégradation il y a production d‘acide, d‘alcool ou de gaz. Ce sont des molécules d‘intérêts, qui présentent un bénéfice pour l‘homme. LES CHAMPS D’APPLICATION DES PRODUITS DE LA FERMENTATION  Dans les industries alimentaires.  Dans les applications médicales et pharmaceutiques.  Dans les industries du plastique  Dans les industries minières. Ӏ.2.2. La génétique La génétique a considérablement évolué, c‘est une branche qui regroupe plusieurs disciplines liées à l‘ADN et qui concourent à la compréhension de l‘expression des caractères héréditaires et à leurs régulations. La connaissance de la nature chimique de l‘ADN puis son organisation spatiale élucidée par Watson et Crick en 1953 ont ouvert de nouvelles perspectives d‘études très fines sur l‘ADN qui s‘inscrivent dans le domaine de la biologie moléculaire. Ӏ.2.3. Culture cellulaire La culture cellulaire est un procédé qui permet aux cellules de se reproduire en dehors de leur milieu de vie naturel ou de l'organisme dont elles proviennent. Les scientifiques ont mis au point le procédé de culture cellulaire pour cultiver des microorganismes en dehors de leur milieu d'origine. Plusieurs types de cellules peuvent être cultivés : des micro-organismes unicellulaires (bactéries, levures, etc.) et des cellules provenant d'organismes pluricellulaires (végétaux et animaux). En les cultivant en laboratoire, on peut contrôler leur croissance et obtenir de grandes quantités de microorganismes ou de substances utiles. Il existe plusieurs applications à la culture cellulaire, entre autres : 

permettre aux chercheurs de mieux comprendre le fonctionnement des cellules;



permettre de tester des médicaments, des produits de beauté ou encore de vérifier latoxicité de certains produits chimiques et ainsi éviter des tests sur les animaux;



permettre la production de certains vaccin dont les virus se développent à l'intérieur des cellules; 4



permettre de produire des tissus tels que de la nouvelle peau pour les grands brûlés.

Ӏ.2.4. L’ADN recombinant L‘intérêt de l‘ADN recombinant à commencé dès 1970. Il est lié à la découverte d‘enzymes de restriction qui coupent de manière spécifique (à des sites spécifiques) l‘ADN de n‘importe quelle espèce. Des lors, l‘idée de couper une molécule d‘ADN puis insérer un fragment issu d‘une autre molécule était envisageable. Ainsi des fragments d‘ADN d‘intérêt pouvaient être coupés d‘un organisme donneur par les enzymes de restrictions puis inséré directement dans l‘ADN d‘un organisme hôte afin de faire exprimer de nouveaux caractères inexistants chez l‘hôte par l‘intermédiaire de vecteurs représentés le plus souvent par des plasmides bactériens. Dans ce dernier cas, les vecteurs ADN recombinant se multiplient au rythme des divisions bactériennes et on obtient des milliers du vecteur recombinant porteur du fragment d‘ADN inséré. On dit alors que le vecteur recombinant est cloné. Quelques protéines recombinantes synthétisées dans les cellules de levure Saccharomycetes cerevisiae : Protéine de surface du virus de l‘hépatite B. Protéine du parasite de la malaria. Facteur de croissance des plaquettes.

Ӏ.2.5. Transgénèse et géni génétique C‘est le transfert artificiel par un vecteur d‘un organisme à un autre (l‘hôte) d‘une autre espèce, avec la possibilité de réplication et d‘expression. Il ya donc manipulation directe comparable à de la chirurgie sur l‘ADN des micro-organismes, végétal ou animal. Le génie génétique désigne toutes les techniques et procédés qui se rapporte aux travaux de recombinaison de l‘ADN dans le domaine médical, de la recherche pharmaceutique, l‘agriculture, l‘agroalimentaire et l‘environnement. Il est devenu envisageable de réaliser des microorganismes, des plantes ou animaux transgéniques en introduisant chez ces êtres vivants une séquence d‘ADN étranger appelée transgène dans une cellule somatique ou gamète qui après fécondation, produirait un organisme transgénique pouvant synthétiser, par exemple, des protéines non synthétisée chez l‘organisme normale de la même espèce.

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Ӏ.2.6. Le génie Enzymatique Les enzymes sont des catalyseurs des réactions métaboliques spécifiques des organismes vivants. Elles possèdent deux propriétés importantes que sont : leur spécificité et leur régulation. De manière générale les enzymes sont peu stables et solubles en phase aqueuse. Leurs utilisation, en dehors de l‘organisme vivant, à des fins industrielles comme c‘est le cas en biotechnologie, est très difficile en raison de leur instabilité et la perte de l‘activité catalytique d‘où l‘intérêt de leur immobilisation. L‘immobilisation des enzymes est indispensable soit : - Pour la réalisation de bioréacteurs utilisables à l‘échelle industrielle. - Pour la réalisation de biocapteurs dans les appareils de mesure et de détection. Ӏ.2.7. La biorémédiation C‘est une technique de gestion des déchets par l'utilisation d'organismes pour supprimer ou neutraliser les polluants ou contaminants à partir d'un site contaminé. La manipulation génétique a permis d‘obtenir des microorganismes et des enzymes spécifiques de dégradation et de métabolisation des produits résiduaires toxiques. L‘utilisation de microorganismes ou d‘enzymes constitue une technique moins polluante et des déchets plus biodégradables. Quelques exemples de techniques de biorémédiation : -Obtention de méthane et de gaz à partir de déchets solides urbains. -Digestion de déchets végétaux via bactéries, épurateurs biologiques. -Dégradation des hydrocarbures par les microorganismes. Ӏ.3. Définition des biotechnologies vertes, blanches, et rouges.etc. Le concept central de cette section est que la biotechnologie est de nos jours un domaine très large de la recherche scientifique et le terme «biotechnologie» englobe de nombreux processus et applications. Beaucoup de ces utilisations ne viennent pas immédiatement à l'esprit lorsque le terme «biotechnologie» est mentionné. Cette section couvre le spectre des principales applications de la biotechnologie en utilisant le code

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des coleurs biotechnologie verte liée à l'agriculture, rouge liée à la médecine, blanc à l'industrie, etc. (voir Fig. 1)

Figure 01 : Principales applications de la biotechnologie utilisant le code des couleurs Ӏ.3.1.La biotechnologie rouge rassemble toutes les utilisations de la biotechnologie liées à la médecine. La biotechnologie rouge comprend la production de vaccins et d'antibiotiques, le développement de nouveaux médicaments, les techniques de diagnostic moléculaire, les thérapies de régénération et le développement du génie génétique pour guérir les maladies par la manipulation génétique. Certains exemples pertinents de biotechnologie rouge sont la thérapie cellulaire et la médecine régénérative, la thérapie génique et les médicaments à base de molécules biologiques telles que les anticorps thérapeutiques Ӏ.3.2. Biotechnologie blanche / Industrie La biotechnologie blanche comprend toutes les utilisations de la biotechnologie liées aux procédés industriels - c'est pourquoi elle s'appelle aussi « biotechnologie industrielle ». la biotechnologie blanche accorde une attention particulière à la conception de processus et de produits à faible consommation de ressources, ce qui les rend plus éconergétiques et moins polluants que ceux traditionnels. On trouve de 7

nembreux exemples de biotechnologie blanche, comme l'utilisation de microorganismes dans la production de produits chimiques, la conception et la production de nouveaux matériaux à usage quotidien (matières plastiques, textiles ...) et le développement de nouvelles sources d'énergie durables comme les biocarburants. Ӏ.3.3. Biotechnologie grise / Environnement La biotechnologie grise comprend toutes les applications de la biotechnologie directement liées à l'environnement. Ces applications peuvent être divisées en deux branches principales : l'entretien de la biodiversité et l'élimination des contaminants. En ce qui concerne le premier, il convient de mentionner l'application de la biologie moléculaire à l'analyse génétique des populations et des espèces qui font partie des écosystèmes, de leur comparaison et de leur classification, ainsi que des techniques de clonage visant à préserver les technologies de stockage des espèces et du génome. En ce qui concerne l'élimination des polluants ou la bioremédiation, la biotechnologie grise utilise des microorganismes et des plantes pour isoler et éliminer différentes substances telles que les métaux lourds et les hydrocarbures, avec la possibilité supplémentaire d'utiliser ultérieurement ces substances ou sous-produits de cette activité Ӏ.3.4. Biotechnologie verte / Agriculture La biotechnologie verte est axée sur l'agriculture en tant que domaine de travail. Les approches biotechnologiques vertes et les applications comprennent la création de nouvelles variétés végétales d'intérêt agricole, la production de bio fertilisants et de bio pesticides, en utilisant des cultures in vitro et des plantes de clonage. La première approche est celle qui doit être développée et susciter le plus d'intérêt et la controverse sociale. La production de variétés végétales modifiées est basée presque exclusivement sur la transgénèse, ou l'introduction de gènes d'intérêt d'une autre variété ou d'un organisme dans la plante. Trois objectifs principaux sont recherchés en utilisant cette technologie. Tout d'abord, on s'attend à ce que les variétés soient résistantes aux ravageurs et aux maladies, par exemple, des variétés de maïs actuellement utilisées et commercialisées résistant aux ravageurs comme la pyrale de la tige de maïs. Deuxièmement, l'utilisation de plantes transgéniques vise à développer des variétés ayant des propriétés nutritionnelles améliorées (par exemple, une teneur plus élevée en vitamines). Enfin, la transgénèse dans les plantes est également étudiée comme moyen de développer des variétés végétales pouvant servir de bio-usines et produire des 8

substances d'intérêt médical, biomédical ou industriel en quantités faciles à isoler et à purifier. Ӏ.3.5. Biotechnologie bleue / Mer La biotechnologie bleue repose sur l'exploitation des ressources maritimes pour créer des produits et des applications d'intérêt industriel. Compte tenu du fait que la mer présente la plus grande biodiversité, il existe potentiellement une vaste gamme de secteurs pour bénéficier de l'utilisation de ce type de biotechnologie. De nombreux produits et applications de la biotechnologie bleue sont encore objet d'étude et de recherche, bien que certains d'entre eux soient réellement utilisés quotidiennement. Sans doute, l‘utilisation des matières premières de la mer représente la biotechnologie bleue la plus répandue dans de nombreux secteurs différents. Ces matériaux, principalement des hydro colloïdes et des gélifiants, sont déjà largement utilisés dans l'alimentation, la santé, le traitement, etc. La médecine et la recherche sont d'autres grands bénéficiaires du développement de la biotechnologie bleue. Certaines molécules marqueurs provenant d'organismes marins sont maintenant couramment utilisées dans la recherche. Des molécules enzymatiquement actives utiles dans le diagnostic et la recherche ont également été isolées des organismes marins. Certains biomatériaux et agents pharmacologiques ou régénératifs sont produits ou étudiés pour leur utilisation dans ces secteurs. Enfin, des secteurs tels que l'agriculture et les cosmétiques analysent le potentiel de la biotechnologie bleue pour sondéveloppement futur Ӏ.4. Les produits types de biotechnologies exemples Ӏ.4.1. Secteur de L'agronomie De nombreux travaux de transgénèse concernent l'introduction de gènes de résistance aux herbicides ou aux insectes, et dans une moindre mesure, à certains virus et maladies. Associées à un usage raisonné d'herbicides et de pesticides, ces plantes transgéniques vont améliorer l'efficacité de l'agriculture, tout en respectant encore mieux l'environnement. A. La résistance à des insectes La bactérie Bacillus thuringiensis constitue un véritable réservoir de gènes de résistance aux insectes. En effet, les différentes souches de cette bactérie du sol recèlent plusieurs 9

protéines insecticides ayant différents modes d'action, et affectant uniquement certains insectes. Chacune de ces protéines est codée par un seul gène, c'est donc un caractèrefacilement transférable par génie génétique. Plusieurs équipes ont obtenu des tabacs, des pommes de terre, des cotons, des tomates, des maïs résistants à des insectes grâce à cette source de gènes. Dans le cas du maïs, la résistance à la pyrale est conférée par le gène Cry A, appelé communément Bt. Ce gène permet dans les cellules du maïs, la production d'une protéine qui se transforme en toxine dans le tube digestif de la pyrale. Chez les autres animaux et chez l'homme, cette protéine est simplement digérée sans aucun effet toxique. B. La résistance à des maladies Les virus, les champignons et les bactéries sont responsables de pertes importantes en production végétale. Or, il n'existe aucune méthode de traitement des maladies dues à des virus chez les plantes cultivées. Par transgénèse, il est possible d'obtenir des plantes résistantes aux virus. Ces plantes transgéniques synthétisent des protéines qui bloquent la multiplication et le développement des virus. Ainsi, il a été possible d'obtenir des courgettes et des melons résistant au virus de la mosaïque du concombre. L'obtention de plantes résistant aux champignons et aux bactéries est en cours de développement. C. La résistance à des herbicides Le glufosinate (Basta ou Liberty) et le glyphosate (Roundup) sont des herbicides totaux qui détruisent aussi bien les mauvaises herbes que les plantes cultivées. Les gènes de résistance à l'herbicide introduits dans une plante empêchent la matière active d'agir sur celle-ci, transformant l'herbicide total en herbicide sélectif sur cette plante. Ainsi l'herbicide détruit toutes les mauvaises herbes présentes tout en respectant totalement la plante cultivée. De plus, ces désherbants totaux ont la propriété de ne pas être rémanents. De nombreuses plantes transgéniques ont été développées pour obtenir une tolérance à ces herbicides. Il s'agit de variétés de betterave, colza, coton, maïs, pomme de terre et de soja. D. La maturation des fruits Ce sont les résultats les plus avancés concernant la qualité alimentaire. Sur le melon, sur la tomate, on a pu obtenir des variétés transgéniques à maturation retardée. Ces fruits peuvent être récoltés à un stade de maturation plus avancé, donc être plus savoureux. 10

D'autre part, il en résulte une meilleure conservation et une aptitude au transport améliorée, réduisant les pertes. Le melon est le premier fruit génétiquement modifié obtenu par un laboratoire de recherche français. Un gène capable de bloquer la synthèse de l'éthylène a été introduit, ce qui ralentit la maturation. Le détachement du fruit est retardé et le melon maintenu sur pied continue d'accumuler des sucres. Ӏ.4.2. Secteur de L'industrie Les biotechnologies ouvrent de nombreuses perspectives dans les domaines de l'industrie, en produisant des molécules nouvelles (Molecular Farming) et en améliorant les procédés industriels et la qualité des produits. A. Les pâtes à papier Les lignines sont l'un des constituants majeurs du bois, mais elles gênent l'industrie papetière qui ne peut les valoriser et doit les éliminer par des méthodes coûteuses et polluantes. Des travaux conduits par la recherche publique française ont permis de connaître les gènes impliqués dans la synthèse des lignines et de développer des variétésde peupliers transgéniques, chez lesquels le taux de lignine est fortement réduit. Ceci facilite le blanchissement de la pâte à papier et donc réduit l'impact sur l'environnement. Le même type de travail a été réalisé sur l'eucalyptus. B. Les huiles industrielles Elles sont synthétisées à partir de matières premières fossiles, dont les ressources sont limitées. Il est donc nécessaire de s'orienter vers d'autres ressources renouvelables. Parmi les nombreux programmes de recherche, on peut citer celui destiné à l'obtention d'un colza transgénique à haute teneur en acide grasérucique ou ricinoléique pour la production de lubrifiants, de matières plastiques, etc. Cette stratégie devrait favoriser le développement de lubrifiants et de plastiques biodégradables. C. Les colorants Un exemple original est l'obtention de cotons transgéniques de couleur grâce à l'introduction d'un gène bactérien ou végétal codant pour un pigment. Ceci évitera l'utilisation de teintures chimiques difficilement recyclables.

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Ӏ.4.3. Secteur de La santé Génétiquement modifiées, des plantes de tabac, de maïs, ou de pomme de terre peuvent produire des molécules thérapeutiques ou des vaccins. Le grand avantage de la production de ces molécules est l'absence de risques de contamination par des virus pathogènes pour l'homme. A. Les produits sanguins Des recherches menées en France ont déjà permis de faire produire des protéinesplasmatiques à des plants de tabac transgéniques, permettant l'obtention d'hémoglobine humaine recombinée. Des travaux montrent qu'il est possible de synthétiser de l'albumine humaine, employée lors du traitement des traumatismes, à partir de tabac ou de pomme de terre. Cette albumine devrait être moins chère que celle issue du plasma sanguin. Cette nouvelle source permettrait de répondre à l'augmentation des besoins. B. Les vaccins Des chercheurs américains travaillent à la mise au point d'une banane vaccin pour l'homme, prévenant les cas de gastro-entérites provoquées par la bactérie E. coli. Il serait alors envisageable de vacciner à faible coût les populations de pays en voie de développement, les plus touchées par ces diarrhées d'origine bactérienne. C. Les protéines humaines Des travaux sont actuellement en cours pour faire produire des protéines ou des glycoprotéines à usage thérapeutique à partir de soja, de tabac, de pomme de terre, de riz ou de colza. Ӏ.5. Domaines industriels concernés Pour le développement durable, les procédés enzymatiques constituent les applications industrielles « propres » les plus intéressantes et les plus utilisées : 

Industrie textile, amidon et fécule, bière, pâtisserie et panification, vins et jus de fruit, dégradation de l‘amidon en sucres pour la fabrication d‘alcool comme solvant.

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

Industrie alimentaire des additifs pour l‘amélioration des qualités nutritives des aliments, industrie laitière pour la conversion du lactose en sucre assimilable, arômes de fromages, arômes alimentaires biosynthétiques, colorants alimentaires de synthèse),



Alimentation animale (hydrolyse des protéines pour la production de farines à haut rendement),



Industrie des cosmétiques (production de bases de crèmes et de collagènes), industrie papetière (dissolution des pâtes, blanchiment, contrôle de viscosité des amidons), procédés de tannage (élimination des poils et graisses), traitement des graisses (hydrolyse des graisses et lécithines, estérification, production d‘agents de solubilité, bio-détergents, savons et procédés de saponification), chimie fine (produits pharmaceutiques).



Les procédés de fermentation traditionnelle : fermentation alcoolique, acides organiques (acide citrique, acide acétique, ...),



Production d’antibiotiques, production de dérivés chimiques, biopolymères, etc. à l‘aide de cultures de micro-organismes.



L’utilisation des enzymes et biocatalyseurs : procédés alimentaires, substances chimiques, chimiothérapie, biosenseurs, équipements médicaux de diagnostic.



L’industrie des combustibles et produits organiques alternatifs au pétrole : photolyse de l‘hydrogène, digesteurs de biomasse pour la production de méthane, alcools (à partir de sucres végétaux).



La biologie moléculaire et le génie génétique de l’ADN recombinant (ADN donneur, ADN vecteur ou ADN hôte) : utilisation pour la synthèse de produits organiques (produits chimiques ; bio-protéines : hormones de synthèse, anticorps, facteurs sanguins).



Les technologies des interférons et anticorps monoclonaux : développement de thérapeutiques, équipements de diagnostic.



Les cultures de cellules végétales et protéines unicellulaires : production de biomasse, produits chimiques (stéroïdes, alcaloïdes, etc.)



La bioremédiation pour le traitement et l’utilisation des déchets : traitement des eaux usées, dépollution ou détoxication des sols (métabolisation des polluants par des micro-organismes), herbicides, traitement et reconversion des sous-produits de l‘industrie agro-alimentaire (déchets de cellulose, du petit-lait 13

de la fabrication de fromages et beurres, graisses animales, équarrissage et farines animales, etc.). 

Les procédés biologiques de fixation de l’azote : réduction de l‘usage des engrais azotés pour les productions agricoles, production d‘ammoniac à partir d‘azote gazeux atmosphérique.



Les autres procédés industriels associés : système de recyclage des eaux usées ; collecte, prétraitement et filtration des captages d‘eau potable, extraction et purification

des

produits

miniers,

développement

de

réacteurs

sans

combustiblefossile et sans chimie polluante, isolation/concentration et récupération ou filtration des catalyseurs et organismes utilisés dans la fabrication de sous-produits. NB ; Pour mieux suivre le cours, veuillez consulter les liens suivants : https://www.youtube.com/watch?v=siz45-0FUUw introduction aux Biotechnologies https://www.youtube.com/watch?v=liuxTqIOsdQ Biotechnologie c‘est quoi https://www.youtube.com/watch?v=4l-6BVPFMMk organismes.

Biotechnologie

et

Micro-

ΙΙ. Biotechnologies appliquees aux problematiques environnementales ΙΙ.1-Changement climatique et évolution des écosystèmes ΙΙ.1.1.Définition Un changement climatique, ou dérèglement climatique, correspond à une modification durable (de la décennie au million d'années) des paramètres statistiques (paramètres moyens, variabilité) du climat global de la Terre ou de ses divers climats régionaux. Désigne l'ensemble des variations des caractéristiques climatiques en un endroit donné, au cours du temps : réchauffement ou refroidissement. Certaines formes de pollution de l‘air, résultant d‘activités humaines, menacent de modifier sensiblement le climat, dans le sens d‘un réchauffement global. Ce phénomène peut entraîner des dommages importants : élévation du niveau des mers, accentuation des événements climatiques extrêmes (sécheresses, inondations, cyclones, ...), déstabilisation des forêts, menaces sur les ressources d‘eau douce, difficultés agricoles, désertification, réduction de la biodiversité, extension des maladies tropicales, etc.

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Selon le GIEC (1995), Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) — en anglais IPCC pour Intergovernmental Panel on Climate Change — Ce changement climatique s'accompagnerait : 

d'une perturbation du cycle de l'eau,



d‘une augmentation de la fréquence et de l'intensité des catastrophes naturelles d'origine climatique (sécheresses, inondations, tempêtes, cyclones),



d‘une menace de disparition de certains espaces côtiers, en particulier les deltas, les mangroves, les récifs coralliens, les plages d'Aquitaine, etc.



d‘une diminution de 17,5 % de la superficie émergée du Bangladesh, de 1 % de celle de l'Egypte,



favoriserait la recrudescence du paludisme, et l'extension de maladies infectieuses comme la salmonellose ou le choléra,



accélérerait la baisse de la biodiversité : disparition d'espèces animales ou végétales,

ΙΙ.1.2. Définition écosystème En écologie, un Ecosystème désigne ‗ensemble formé par une association ou communauté d‘êtres vivants (ou biocénose) et son environnement géologique, pédologique et atmosphérique (le biotope). Les éléments constituant un écosystème développent un réseau d‘interdépendances permettant le maintien et le développement de la vie. Exp. Une Forêt, un marécage sont des écosystèmes. L‘écosystème constitue un système naturel et tend à évoluer vers son état le plus stable, dit climax ; on parle de régression écologique lorsque le système évolue d‘un état vers un état moins stable. Un écosystème est composé de : 

tous les organismes vivants d‘une biocénose (phytocénose, zoocénose, microbiocénose et mycocénose).

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

Tous les facteurs de l‘environnement (facteurs climatiques, édaphiques et hydriques).



Des relations (interrelations) qui existent entre la biocénose et son milieu et réciproquement entre le milieu et la biocénose.

II.2. Gestion des ressources microbiologiques, vegetales et animales II.2.1.Ressources biologiques Definition: Comprend les ressources genetiques, organismes ou des parties de ceux la, des populations, ou tout autre composant biotique des ecosystemes avec un usage reel ou un potentiel ou une valeur pour l'humanite. La gestion des ressources microbiologiques, vegetales et animales a pour objectif : 

d'organiser la collecte et la conservation des ressources genetiques des especes utilisees et selectionnees par l'homme, et ce sous forme d'echantillons du patrimoine genetique animal, vegetal et microbien ;



de promouvoir la recherche dans le domaine de la conservation des ressources.

Ainsi, la gestion de ces ressources vise à sauvegarder les variétés végétales sélectionnées, les races animales et les souches microbiologiques utiles qui participent à l'histoire de l'homme et à son alimentation. Son objectif ultime est de contrer l'érosion croissante de la diversité de ce patrimoine due à l'abandon des variétés anciennes supposées moins productives et plus fragiles, et à l'homogénéisation des productions. La conservation du patrimoine genetique se fait par aide a la preservation des especes dans leur milieu lorsque c'est possible (conservation in situ), et par recueil et/ou cryoconservation des patrimoines genetiques (conservation ex situ). En ce qui concerneles especes vegetales cultivees, des reseaux informels associant acteurs publics et prives effectuent une conservation necessitant des cycles de multiplication reguliers.

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II.3. Pollution agro-environnementales (eau, air, sols) ΙΙ.3.1. La polution : La pollution est une modification defavorable du milieu naturel, qui peut affecter l‘hommedirectement ou au travers des ressources agricoles, en eau et en produits biologiques. Elle est de trois types : 

La pollution de l’air : causée par les fumées industrielles, les moyens de locomotion, levolcanisme. etc



La pollution de l’eau : causée par rejets industriels et agricoles et des zones urbanise es,raffineries en mer. etc



La pollution des sols : causée par le stockage des dechets, l‘epandage des pesticides. Etc

ΙΙ.3.2. les polluant Le terme polluant designe tout agent physique, chimique ou biologique qui provoque unegène ou une nuisance dans un milieu donne. Il s‘agit egalement de toute substance naturelleou d‘origine anthropique introduite dans un biotope donne ou elle etait absente ou où elle enmodifieou augmente la teneur. A. Principaux polluants atmospheriques 

Polluants primaires : directement emis dans l'atmosphere. Il s'agit du dioxyde desoufre(SO2), d‘oxydes d'azote (NOx) et des particules en suspension (PES).



Polluants secondaires : les polluants primaires peuvent evoluer chimiquement dansl‘atmosphere pour former des polluants secondaires, qui sont a l‘origine de la pollutionphotochimique et des pluies acides

B. Principaux polluants de l’eau 

Polluants physiques (turbidité, pollution thermique, matières radioactives)



Polluants chimiques (azote, métaux, pesticides, hydrocarbures…)



Matières organiques



Polluants microbiologiques (bactéries, virus, champignons)

C. Principaux polluants du sol

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

Métaux lourds issus de l‘agriculture, et des retombées atmosphériques diffuses



cyanures : proviennent des herbicides



Nitrates : S'adsorbent difficilement dans le sol, elles sont dénitrifiés et entraînées vers les eaux



Sels de sodium : (herbicides, eaux d‘irrigation) : Salinisation du sol et réduction de leur fertilité



Pesticides : Peuvent être dissous dans les solutions du sol et entraînés petit à petit vers les nappes phréatiques. La durée de vie très variable, ex. DDT très persistant



Organismes pathogènes : Maladies des animaux peuvent être transmises à l'homme par l'intermédiaire du sol : tétanos, botulisme, brucellose, fièvre aphteuse, etc.

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Pollution radioactive : Naturelle (ex : Radon), Industrielle, Médicale, Accidentelle (ex. Tchernobyl), ou militaire dans les essais de bombes atomiques (ex. Reggane, Algérie du 13 Février 1960 au 25 Avril 1961)

ΙΙ.3.3. La biotechnologie environnementale, une voie vers le développement durable Les principaux secteurs d'activité concernés par la biotechnologie environnementale sont actuellement la décontamination des sites pollués, le traitement et le recyclage des déchets et des odeurs, le traitement de l'eau, la surveillance des agents pathogènes dans l'environnement et les énergies renouvelables. A. Une gestion durable des déchets 

Les techniques de bioremédiation peuvent être utilisées dans diverses applications incluant la dépollution des sols, le traitement des eaux usées, des gaz polluants et des déchets solides.



Les mauvaises odeurs peuvent également être traitées à l'aide de systèmes biologiques.



Les produits ainsi épurés sont rejetés dans l'air, les égouts ou sont enfouis. Éventuellement, ils peuvent être réutilisés, par exemple le biogaz ou les composts issus des déchets municipaux.

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

Cela permet d'assurer un allégement maximum des décharges et d'aboutir à une gestion des déchets durable sur le plan social, économique et environnemental.

B. Nettoyer à l'échelle moléculaire Le biofilm englobe les cellules qui le contiennent, ainsi qu'une matrice de substances polymériques qu'elles ont sécrétées et qui les maintient attachées sur la surface et entre elles. Les bactéries dans les biofilms acquièrent souvent une physiologie spécifique et deviennent bien plus résistantes aux agressions extérieures telles que les biocides et les antibiotiques. Les biofilms favorisent également la libération et la dissémination de souches variantes lors de la phase dite de dispersion. ӀӀӀ.Biotechnologies en agronomie à des fins alimentaires ӀӀӀ.1. Biotransformation et conservation La fabrication des produits alimentaires utilise des matières premières végétales, animales ou minérales qui subissent des transformations grâce à des moyens physiques (mécaniques comme les broyages ou les mélanges, la chaleur, le froid...), physicochimiques (modification de l‘activité de l‘eau par le salage ou le sucrage, modification du pH par l‘acidification...), biochimiques (enzymes, stabilisants divers, antioxydants...) ou encore microbiens. ӀӀӀ.1.1. Biotransformation A. Les opérations de réduction de tailles :  Broyage : c‘est le fait de réduire une matière solide en des très petits pièces généralement par pression ou mécaniquement. EX : les graines de blés.  Blutage : cette étapes est suite au broyage, consiste à séparer le son des graines de blé tendre de la farine.  Sassage : c‘est une étape ou le son du graines de blé dur et la semoule sont séparées (car le blé dur résiste a l‘écrasent, il se réduit en semoule).  Découpage : une opération très fréquente dans les chaines de transformation, c‘est l‘action de couper un produit en morceaux. EX : découpage de viande, du fromage…

19

 Séparation des constituants liquide : la séparation des mélanges permet d‘isoler ou de séparer certains constituants des mélanges dans lesquels ils se trouvent. EX : lais, jus, eaux.  Extrusion : c‘est un procédé par lequel un matériau compressé (ex pate) est contrait de traverser un tube ayant la section de la pièce à obtenir EX : industrie des pates alimentaires (formats de pates alimentaires), les biscuits. B. Les opérations d’extraction de décantation et filtration :  Extraction par pression : l‘extraction par pression est un procédé permettant l‘extraction de l‘huile des graines et des noix qui ne fait pas appel a des composés chimiques…l‘extraction par pression est la seule méthode utilisée dans le traitement des huiles de caméline. EX : extraction du jus de fruit, de l‘huile végétale (olive).  Extraction par solvant : cette technique permet d‘extraire une substance dissoute dans un solvant (phase d‘alimentation), à l‘aide d‘un autre solvant d‘extraction, dans lequel elle est plus soluble .Le solvant initial et le solvant d‘extraction ne doivent pas être miscible. EX : huile des graines, oléagineuses, huile de soja, colza…  La décantation statique : c‘est une technique de séparation des matières en suspension

et

des

colloïdes

rassemblés

en

floc,

après

l‘étape

de

coagulationfloculation.Cette technique est très répandue dans les usines d‘épuration et de traitement des eaux usées des stations. EX : la dépollution des eaux usées des stations dépuration.  Décantation : une opération unitaire de séparation de particules (solides ou liquides) dispersées dans un liquide grâce à la force centrifuge obtenue par une rotation rapide du bol qui contient le produit. EX : écrémage du lait.  La filtration : est procédé de séparation permettant de séparer les constituants d‘un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide ou travers d‘un milieu poreux. L‘utilisation d‘un filtre permet de retenir les particules de mélanges hétérogènes qui sont plus grosses que les trous du filtre. EX : clarification des boissons, jus de l‘orange, de pommes.. C. Les opération de séparation :  Distillation : c‘est un procédé de séparation de mélange de substances liquides dont les températures d‘ébullition sont différentes. Elle permet de séparer les constituants d‘un mélange homogène. EX : distillation de l‘alcool. 20

 Condensation : le terme de condensation désigne un phénomène physique de changement d‘état de la matière et plus exactement, le passage de l‘état de gaz a état condensé, solide ou parfois liquide. Dans ce dernier cas, il est toutefois préférable de parler de condensation liquide ou même, d‘employer le terme de liquéfaction. EX : lait condensé.  Cristallisation : est une opération unitaire du génie chimique consiste à isoler un produit sous forme de cristaux. La cristallisation est l‘une des opérations physique les plus anciennes pratiquées, avec l‘évaporation de l‘eau de mer pour isoler du sel. EX : production de sucre (saccharose). D. Les opérations de mélange, texturation, mise on forme :  Mélange : une opération courante dans la transformation alimentaire, est utilisée pour obtenir un produit lisse, homogène et d‘une qualité constante. EX : le mélange des produits secs et liquides.  Texturation : une opération courante dans la transformation alimentaire, est utilisée pour obtenir un produit lisse, homogène et d‘une qualité constante.  Granulation : opération de mise en forme qui consiste a relier entre elles de poudre a l‘aide d‘agent liants, afin d‘obtenir des granulés. EX : farine, semoules, poudre de lait.  Enrobage : opération par laquelle on revêt les bougies composées d‘acides gras a point de fusion un peu bas, d‘une enveloppe très mince d‘acide stéarique a point de fusion plus élevé. EX : industrie de confiserie recouvrement des bonbons, pastilles ect.. ӀӀӀ.1.2. Conservation des aliments Les traitements de conservation appliqués aux aliments visent à préserver leur comestibilité et leurs propriétés gustatives et nutritives en empêchant le développement des bactéries, champignons et microorganismes qu'ils contiennent et qui peuvent dans certains cas entraîner une intoxication alimentaire. Les trois méthodes utilisées pour la conservation des aliments reposent sur : 

la chaleur : pasteurisation, stérilisation, appertisation, semi-conserves ;



le froid : surgélation, congélation, réfrigération ;



autres techniques : conditionnement sous-vide ou sous atmosphère modifiée, lyophilisation, déshydratation et séchage, fermentation. 21

A. Les techniques de conservation par la chaleur (Les traitements thermiques) Le traitement des aliments par la chaleur est la technique la plus utilisée pour la conservation de longue durée.  La pasteurisation En pasteurisation, la température du traitement thermique est inférieure à 100°C. Ce procédé réduit significativement le nombre de micro-organismes dans le produit, mais certaines formes (comme les spores) résistent... La thermo-résistance de certains microorganismes dépend du milieu dans lequel ils se trouvent. En effet, le pH a une influence sur la résistance à la chaleur : plus le milieu est acide, moins la résistance à la chaleur est élevée. La température et le temps de pasteurisation dépendent des caractéristiques physico-chimiques du produit et du choix du fabricant. Après, les produits doivent être refroidis et réfrigérés afin de prévenir la multiplication des bactéries qui n‘auraient pas été détruites. La pasteurisation est l‘un des traitements thermiques les plus respectueux envers les vitamines. Elle peut être facilement réalisée à petite échelle, à l‘aide d‘un pasteurisateur, récipient rempli d‘eau, muni d‘une résistance.  La stérilisation Il s‘agit d‘un traitement thermique à des températures supérieures à 100° C visant à détruire toute forme microbienne, ce qui assure la stabilité à température ambiante des denrées.  La flash pasteurisation Cette technique, dérivée de la pasteurisation, a le même objectif, c‘est-à-dire la destruction des micro-organismes et l‘augmentation de la durée de vie des produits. Cependant, elle préserve mieux les qualités organoleptiques des produits (odeur, goût, texture, vitamines). La flash pasteurisation chauffe rapidement les produits et les refroidit aussi vite. Elle est utile dans la conservation des jus de fruits. Techniquement, on trouve des pasteurisateurs simples qui comportent un serpentin dans lequel le jus est chauffé grâce à l‘eau bouillante.  L’appertisation

22

L‘appertisation, appelée aussi « conserve », est un traitement thermique qui consiste à stériliser par la chaleur des denrées périssables dans des contenants qui sont hermétiques aux liquides, aux gaz et aux micro-organismes (boîtes métalliques, bocaux). Les aliments chauffés à une température de 110 à 120°C sont débarrassés de tous les microorganismes ou enzymes susceptibles de les altérer ou de les rendre impropres à la consommation pendant plusieurs mois, voire années. L‘avantage de cette technique, même si elle altère les qualités gustatives des aliments, est qu‘elle permet de préserver en grande partie les qualités nutritionnelles. Cette méthode se réalise à l‘aide d‘un autoclave. B. Les techniques de conservation par le froid Le froid arrête ou ralentit l'activité cellulaire, les réactions enzymatiques et le développement des micro-organismes. Il prolonge ainsi la durée de vie des denrées alimentaires en limitant leur altération. Néanmoins, les micro-organismes éventuellement présents ne sont pas détruits et peuvent reprendre leur activité dès le retour à une température favorable. 

La réfrigération

Cette technique consiste à abaisser la température pour prolonger la durée de conservation des aliments. À l'état réfrigéré, les cellules des tissus animaux et végétaux restent en vie pendant untemps plus ou moins long, et les métabolismes cellulaires sont seulement ralentis. La température des aliments réfrigérés est comprise entre 0° C et +4° C pour les denrées périssables les plus sensibles. 

La congélation

La congélation permet d‘abaisser la température d‘une denrée alimentaire de façon à faire passer à l‘état solide l‘eau qu‘elle contient. Cette cristallisation de l‘eau contenue dans la denrée permet de réduire l‘eau disponible pour des réactions biologiques et donc de ralentir ou d‘arrêter l‘activité microbienne et enzymatique.

23



La surgélation

La surgélation consiste à congeler rapidement une denrée saine et en parfait état de fraîcheur, en abaissant sa température très rapidement jusqu'à moins 18° C en tous points. Grâce à ce procédé, l‘eau contenue dans les cellules se cristallise finement limitant ainsi la destruction cellulaire. Les produits ainsi traités conservent leur texture, leur saveur et peuvent être conservés plus longtemps. Les produits surgelés doivent-être étiquetés comme tels et ne doivent pas, au cours de leur stockage ou de leur transport, subir de variations de températures. Les produits congelés ou surgelés ne doivent pas être recongelés après une décongélation. C. Les autres techniques de conservation 

Modification de l’atmosphère



Le conditionnement sous vide réduit la quantité d'air autour de la denrée alimentaire et donc l‘action de l‘oxygène sur celle-ci. Cela permet d‘empêcher d‘une part le développement des micro-organismes, dont la prolifération est une des causes de l‘altération du produit, et d‘autre part les réactions d‘oxydation également à l‘origine de dégradations du produit.



Le conditionnement sous atmosphère modifiée (emballage étanche) permet de remplacer l'air qui entoure la denrée alimentaire par un gaz ou un mélange gazeux (en fonction du type de produit), et de prolonger ainsi la durée de vie de celle-ci. Cette technique de conservation est associée à un stockage à basse température tout au long de vie du produit. Une mention inscrite sur l'étiquetage indique « conditionné sous atmosphère protectrice ».



Séparation et élimination de l’eau



La déshydratation et le séchage consiste à éliminer partiellement ou totalement l'eau contenue dans l'aliment. Du fait d'une faible activité de l'eau (Aw), les micro-organismes ne peuvent proliférer, et la plupart des réactions chimiques ou enzymatiques de détérioration sont ralenties.



La lyophilisation consiste à congeler un aliment puis à le placer sous vide : l'eau passe ainsi directement de l'état solide à celui de vapeur (sublimation). La

24

forme et l‘aspect des produits sont bien conservés, leur qualité aromatique est bien supérieure à celle des produits séchés. Du fait de son coût, cette technique est réservée aux denrées alimentaires à forte valeur ajoutée tels que les champignons, le café soluble, certains potages instantanés et les céréales pour petit déjeuner. 

Le salage vise à soumettre la denrée alimentaire à l'action du sel soit en le répandant directement à la surface de l'aliment (salage à sec), soit en immergeant le produit dans une solution d'eau salée (saumurage). Cette technique est essentiellement utilisée en fromagerie, en charcuterie et pour la conservation de certaines espèces de poissons (harengs, saumon, etc.) ou denrées alimentaires végétales (condiments).



Le saumurage consiste à plonger des aliments (charcuteries, fromages, poissons, condiments, etc.), dans une préparation composée de sel, d'eau, de divers ingrédients (aromates, sucres, etc.) et éventuellement d'additifs autorisés.

 Les procédés chimiques de conservation 

Les additifs alimentaires

La règlementation européenne bio autorise, sous certaines conditions, l‘utilisation d‘additifs de conservation. Les additifs alimentaires autorisés actuellement en bio sont d‘origine animale et végétale. Pour la conservation, on trouve les conservateurs et les antioxydants. Les additifs alimentaires utilisés doivent obligatoirement être mentionnés sur l‘étiquette par leur nom ou par leur code précédé de la catégorie. En bio, tous les additifs alimentaires sont repris dans une liste positive : Annexe VIII du règlement (CE) n°889/2008. Pour chacun d‘eux, des conditions particulières d‘utilisation sont précisées. Les additifs de conservation ont pour rôle de bloquer la multiplication des microorganismes et des toxines, ce qui allonge la durée de conservation de l‘aliment. Les antioxydants sont des molécules qui empêchent - ou du moins freinent l‘oxydation. L‘oxydation consiste en un transfert d‘électrons de l‘aliment vers un autre milieu, qui entraîne une accélération de l‘altération de l‘aliment. Elle est généralement due à l‘oxygène de l‘air ou à la lumière. 

La lactofermentation

25

La lactofermentation est une méthode de conservation a priori simple, car elle nécessite peu de matériel. Les produits lactofermentés sont consommés pour leur goût particulier, souvent apprécié, et également pour leurs valeurs nutritionnelles, digestives et curatives. Le principe consiste à mettre les aliments en absence d‘oxygène, pour déclencher la multiplication des bactéries lactiques, sans danger pour notre organisme, qui se développeront plus vite que les micro-organismes pathogènes. Le développement des bactéries lactiques va acidifier le milieu et inhiber les mauvaises bactéries responsables du pourrissement. Le pH atteint la valeur de 4 : cette acidité permet de stabiliser le produit et donc de le conserver plus longtemps. La choucroute est un exemple connu de produit lactofermenté, mais il est possible de lactofermenter les cornichons, les câpres, les concombres, les carottes, les oignons, les betteraves, les navets, etc. Les produits lactofermentés, immergés dans leur propre jus et conservés dans des emballages hermétiques, se conservent de plusieurs semaines à plusieurs mois. Cette technique, d‘apparence simple, peut cependant s‘avérer plus complexe, surtout au niveau de la maitrise du goût final du produit, lorsque l‘on s‘aventure hors de la classique recette de choucroute… La lactofermentation est très à la mode dans le secteur de la gastronomie, des Chefs étoilés (dont Sang Hoon Degeimbre de l‘Air du Temps) mettent en place de véritables « grands crus » de légumes lactofermentés, après des années de recherches. Les asiatiques sont passés maîtres de la discipline ! Ce produit, très apprécié des gastronomes amateurs, est cependant encore très peu répandu dans le secteur bio. Cela reste un produit de niche, à l‘exception de la choucroute.  Conservation par ajout d’acide L‘utilisation d‘un acide alimentaire, comme le vinaigre ou l‘acide lactique, permet de conserver le produit plus longtemps. En diminuant le pH sous la barre de 4, les microorganismes ne se développent plus. Cette méthode permet un stockage à température ambiante.  Conservation par l’alcool L‘alcool détruit les micro-organismes et empêche leur développement. La méthode est très facile (les produits sont placés dans un récipient hermétique avec du sucre et de l‘alcool), mais très anecdotique. On peut citer comme exemple les cerises à l‘alcool... 26

La production spécifique de cidre ou de vin est également un type de transformation qui permet de valoriser un surplus de pommes ou de raisins. Toutefois, ces techniques nécessitent de bonnes connaissances dans le domaine et sont peu adaptées à un projet de diversification. III.2. Production de matrices alimentaire en bioréacteurs Les milieux de cultures utilisés en industrie sont essentiels pour la grande majorité des microorganismes industriels. Le milieu de culture peut être définit comme étant le milieu qui permet la production de la biomasse cellulaire, la synthèse du produit désiré. Il doit contenir au moins une source de carbone, d‘azote, d‘oxygène, d‘hydrogène, certains oligo-éléments , des vitamines et des facteurs de croissance. Exemple : 

Les mélasses de Betteraves et de la canne à sucre : riche en Saccharose permettent d‘obtenir des biomasses protéiques ou des levures utilisant le lactose.



L‘amidon est utilisé comme matière pour la production industrielle des protéines.

III.2.1 Bioréacteurs et systèmes de fermentation Le bioréacteur (appelé aussi fermenteur) est un appareil (ou cuve) qui permet la croissance de micro-organismes (levures, bactéries, champignons microscopiques, algues) pour la production de biomasse, de métabolites primaires, secondaires ou encore la bioconversion d‘une molécule d‘intérêt .Il assure le contrôle des conditions physicochimiques (Température, pH , aération, etc..) pour avoir un bon rendement de productivité. -La performance de tout bioréacteur dépend de nombreuses fonctions : 

Les concentrations de biomasse



L‘apport de nutriments



Les conditions stériles



Le retrait du produit



Les agitations efficaces

27

Figure 02 : Un bioréacteur III.2.2. Les différents types de culture Les cellules peuvent être cultivées en suspension ou immobilisées. Pour les cultures de cellules en suspension, différents modes d'alimentation en milieu nutritif peuvent être utilisés (Figure 03).

Figure 03 : Représentations schématiques des différents modes d'alimentations en milieu nutritif de bioréacteurs.

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Ci-dessous (Figure 04), sont représentées les cinétiques observées selon le mode d'alimentation ; ces principaux modes seront décrits plus en détail dans les paragraphes suivants.

Figure 04 : Représentations des cinétiques des concentrations cellulaires (X), des substrats (S) et des produits (P) en fonction du mode d'alimentation du bioréacteur. 1. Culture discontinue (Batch) ou non renouvelée Ce sont des cellules inoculées dans un milieu frais et aucun autre élément nutritif n‘est ajouté jusqu‘à ce que le produit désiré soit produit. Le bioréacteur ne possède ni entrée ni sortie. En fin de fermentation, le fermenteur est nettoyé pour une prochaine culture..Ce mode de fermentation est le seul utilisé pour la production de métabolites secondaires surtout les antibiotiques. 2. Fermentation en culture discontinue alimentée (Fed-batch) C‘est une culture discontinue alimentée en continue par un milieu nutritif. La croissance démarre plus vite dans un volume de culture réduit, celui-ci augmente au cours du temps. Lorsque la cuve est remplie, l‘alimentation est coupée. Le Fed-batch, permet en pratique un gain de temps, une augmentation de productivité et une possibilité de modification du milieu en cour de culture. Applications ; La production de la pénicilline. 3. Fermentation en culture continue Le milieu de croissance frais est ajouté en permanence, les cellules et le milieu épuisé sont éliminés simultanément. Le volume de culture microbienne est constant ou le débit de milieu est égal au mélange de biomassemilieu liquide de façon à maintenir le volume du réacteur constant.  Il existe 2 principaux types de culture continue à écoulement continu A. Turbidostat : Le taux de croissance spécifique est égale ou très proche de µ max et est contrôlé par les vitesses de réactions cellulaires internes. 29

B. Chemostat : Le Chemostat constitue le système ouvert de fermentation continue qui est le plus simple et le plus répandu. Il set caractérisé par un volume réactionnel constant. III.3. Sécurité, traçabilité et qualité des aliments Les consommateurs veulent connaître l‘origine des aliments qu‘ils achètent. Pour satisfaire cette demande et retrouver ―l‘histoire‖ d‘un produit en cas d‘accident sanitaire, les industriels ont mis en place des procédures de ―traçabilité‖. Selon la norme ISO 8402, la traçabilité se définit par ―l‘aptitude à retrouver l‘historique, l‘utilisation ou la localisation d‘une entité (par exemple un végétal, un animal, une denrée alimentaire) au moyen d‘identifications enregistrées‖. La traçabilité permet aux professionnels de suivre la circulation des denrées et les transformations qu‘elles ont subies, de la ferme aux points de vente, ou de remonter la filière ―produit‖, de l‘aval vers l‘amont, afin de revenir à l‘origine d‘une contamination pour retirer les produits susceptibles d‘avoir été contaminés. On parle donc de ―traçabilité montante‖ et de ―traçabilité descendante‖. La première est un outil mis au service de bonnes pratiques de production ; la seconde est un outil précieux pour la mise en œuvre des procédures de rappel ciblé d‘un produit. Les techniques ―moléculaires‖ et l‘Internet s‘avèrent être des auxiliaires essentiels de la traçabilité. Les techniques ―moléculaires‖ servent à identifier les produits d‘origine biologique au niveau des espèces (présence ou absence de porc, de soja ou d‘une plante OGM) et même des individus (tel rôti provient de telle vache de tel élevage). Quant à l‘Internet, il assure la mise en réseau des données collectées : la transmission automatique des informations recueillies réduit au minimum les risques d‘erreur inhérents à leur saisie manuelle. Les codes-barres et les étiquettes électroniques permettent d‘identifier et de suivre les contenants (cartons, palettes…) et les contenus (denrées).

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IV. Biotechnologies et l’industrie à des fins non alimentaires IV.1. Bioénergie Les bioénergies désignent l‘énergie issue de la biomasse transformée en électricité mais également en chaleur, en gaz ou en carburant. La bioénergie moderne à haute efficacité recourt à des solides, des liquides et des gaz plus commodes comme vecteurs d‘énergie secondaire en vue de produire de la chaleur, de l‘électricité, de la chaleur et de l‘électricité combinées (on parle de cogénération) et des biocarburant pour divers secteurs. Les biocombustibles liquides comprennent l‘éthanol et le biogazole, qui servent aux transports routiers dans le monde entier et à certains secteurs industriels. Les gaz dérivés de la biomasse – et surtout le méthane – émanant de la digestion anaérobie de résidus agricoles et de déchets urbains solides servent à produire de l‘électricité, de la chaleur ou les deux. L‘apport le plus important à ces services énergétiques est fondé sur des combustibles solides tels que les copeaux, les granulés, le bois de récupération et autres produits. Le chauffage inclut le chauffage des espaces et de l‘eau, comme dans les systèmes de chauffage urbain. La bioénergie puise son combustible dans les cultures énergétiques, les résidus issus des forêts, de l‘agriculture et de l‘élevage, ainsi que les biocarburants dits de deuxième génération. La bioénergie est intégrée de façon complexe dans les systèmes mondiaux de biomasse servant à la production de denrées alimentaires, de fourrage, de fibres et de produits forestiers et dans la gestion de déchets et de résidus. On appelle également "houille verte" l'énergie en provenance des végétaux. Celle-ci est renouvelable puisque les plantes repoussent pratiquement sans cesse grâce à l'énergie solaire et au processus de photosynthèse : Anabolisme : n [CO2 + H2O] + énergie -> n (CH2On) Catabolisme : [CH2O]n + nO2 -> n[CO2 + H2O] + dégagement d'énergie

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On regroupe les termes d'anabolisme et de catabolisme sous le nom de métabolisme. Ainsi, la photosynthèse absorbe du gaz carbonique, consomme de l'eau et rejette de l'oxygène. L'avantage est que le soleil intermittent est ici stocké dans la masse végétale. Mais c'est une énergie à faible densité énergétique, de plus l'humidité contenue dans la biomasse la réduit d'où un rendement énergétique très faible. Et c'est une grande consommatrice d'espace et d'eau. On distingue deux types de biomasse : la biomasse solide (bois, paille...) et la biomasse à haute efficacité. VI.2. Biomatériaux et agro-polymères Les polymères forment une classe très importante de matériaux sans laquelle la vie semble très difficile. Ils sont partout autour de nous dans un usage quotidien; en caoutchouc, en plastique, en résines, et dans les adhésifs et les rubans adhésifs. Le mot polymère est dérivé de mots grecs, poly = beaucoup et mers = parties. Un polymère est une macromolécule, organique ou non, constituée de l‘enchaînement répété d‘un même motif ou monomère, tous reliés entre eux par des liaisons dites « covalentes ».Le nombre d'unités monomères est habituellement grand et variable, chaque échantillon d'un polymère des macromolécules ou des polymères se trouvent dans le corps humain, les animaux, les plantes, les minéraux et produits manufacturés. Les substances comme les suivantes contiennent des polymères: diamant, béton, quartz, verre, nylon, plastique, ADN, pneus, coton, cheveux, pain et peinture étant typiquement un mélange de molécules ayant des poids moléculaires différents. VI.2.1. Classification des polymères : La classification de base des polymères comprend deux groupes connus sous le nom de polymères naturels et de polymères synthétiques. Les polymères naturels sont des composés polymères que l'on peut trouver dans notre environnement. Les polymères synthétiques sont des composés polymères produits artificiellement. C'est la principale différence entre les polymères naturels et les polymères synthétiques. a. Les polymères naturels : Les polymères naturels sont des composés polymères que l'on peut trouver naturellement dans notre environnement. La plupart des composés chimiques dans les 32

systèmes biologiques sont des composés polymères. Ces polymères naturels se trouvent principalement dans trois types tels que les polysaccharides, les polyamides et les poly nucléotides. b. Les polymères synthétiques : Les polymères synthétiques sont ceux qui sont des polymères fabriqués par l'homme. Le polymère qui a été synthétisé en laboratoire est connu sous le nom de polymère synthétique. Des exemples de tels polymères sont le polyvinyle alcool, polyéthylène, polystyrène, polysulfone, etc.

Tableau 01 : Comparaison entre les polymères naturels et synthétique les polymères naturels sont des composés

les polymères synthétiques sont des

polymères que l'on peut trouver

composés polymères produits

naturellement dans notre environnement

artificiellement par l'homme

se produisent naturellement

ne se produisent pas naturellement

produire à partir de processus biologiques

produire à partir de processus chimiques

la plupart des polymères sont facilement

la plupart des polymères sont difficiles à

dégradés par des processus biologiques

dégrader naturellement par des processus biologiques

VI .2.2. Les domaines d’application :  Polymères et aliments Les polymères sont très largement utilisés dans la production, la distribution, l'emballage et la préparation des aliments. Quelques exemples de ces utilisations sont énumérés ci-dessous. a. Agriculture: 

Feuilles pour protéger les cultures 33



Encapsulation de graines (gels et nutriments)



Vêtements de protection pour les travailleurs agricoles.

b. Distribution: 

Emballage dans une atmosphère inerte



Emballage sous vide



Emballage isolé.

c. Vente au détail: 

Sacs de transport (maintenant biodégradables)



Une variété de types d'emballage

 Polymères dans les produits médicaux a- Lentilles de contact Le matériau utilisé dans les lentilles de contact a été fabriqué à l'origine par polymérisation radicalaire en masse, qui a été effectuée très lentement pour minimiser le stress. Les tiges de polymère ont ensuite été découpées en boutons, qui ont été mis en forme sur un tour pour donner la forme optique correcte. De nos jours, le moulage par coulée avec initiation UV est la technique préféré b- Les soins des plaies Il existe plusieurs types de polymères qui offrent une protection physique et biologique. (Agissent comme des mastics tissulaires): 

La colle de fibrine, qui est naturelle et qui se forme en mélangeant le fibrinogène et la Thrombine



Une protéine réticulée formée par mélange d'une protéine naturelle (albumine) avec un agent de réticulation synthétique, par exemple PEG (SS) 2 (PEG = polyéthylène glycol)

c- Polymères dentaires L'amalgame argent / mercure utilisé pour les obturations dans le passé a été remplacé par des matériaux polymériques en raison des préoccupations concernant la nature toxique de la vapeur de mercure et parce que de plus grandes quantités de dents doivent être enlevées pour fournir une clé pour l'amalgame. L'émail dentaire est l'hydroxyapatite. La dentine contient 40% de protéines et 60% d'hydroxyapatite. Tout matériau utilisé pour remplir une dent doit être résistant à l'humidité, à la chaleur et au 34

froid extrêmes, à l'abrasion, aux contraintes mécaniques, à la microflore bactérienne et aux contraintes de retrait et doit avoir un aspect acceptable. VI.3. Biomolécules et activités cellulaires Les organismes vivants sont constitués essentiellement de macromolécules formées de longues chaînes d‘atomes qui adoptent, en se repliant, une structure spatiale bien définie. La fonction biologique de chaque macromolécule est étroitement reliée à sa structure, d‘où l‘intérêt de déterminer celle-ci. Depuis les années 50, l‘importance des relations structure fonction a largement encouragé le développement des méthodes de détermination de structures moléculaires. Les biomolécules, « bios » signifiant vie en grec, comprennent les lipides, les acides nucléiques, les protéines, et les glucides. VI.3.1. Les lipides : Les acides aminés peuvent se lier les uns aux autres par une liaison peptidique qui se fait entre le groupement acide d‘un acide aminé et le groupement amine de l‘autre. Au cours de la réaction, une molécule d‘eau et éliminée ; il s‘agit donc d‘une réaction de condensation Les lipides sont une classe hétérogène de molécules qui ont en commun les caractéristiques suivantes : ce sont des substances d'origine biologique elles sont très peu solubles dans l'eau mais solubles dans des solvantsϖ organiques comme l'éther, le chloroforme, le méthanol, l'hexane… Les lipides ont un rôle essentiel comme constituant des membranes biologiques  (Cholestérol, phospholipides, glycophospholipides). Ils constituent la structure de certaines hormones (hormones stéroïdes)  Certaines vitamines. Ils servent aussi de réserve énergétique sous forme de triglycérides.  Dans les adipocytes les lipides permettent aussi une protection thermique e mécanique. Parmi les lipides on trouve principalement : les glycérides et notamment les triglycérides qui sont des molécules formées à partir d'une molécule de glycérol liée à trois molécules d'acides gras par des liaisons esters.

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VI.3.2. Les protéines : Les protéines furent découvertes par le chimiste néerlandais Gerhard Mulder (18021880). Le terme protéine vient du grec ancien prôtos qui signifie premier, essentiel. Ceci fait probablement référence au fait que les protéines sont indispensables à la vie et qu'elles constituent souvent la part majoritaire (≈60%) du poids sec des cellules. Les protéines adoptent en effet de multiples formes et assurent de multiples fonctions. Mais ceci ne fut découvert que bien plus tard, au cours du XXe siècle. Une protéine est une macromolécule biologique composée d‘une ou plusieurs chaînes d'acides aminés liées entre elles par des liaisons peptidiques (chaine polypeptidique). En général, on parle de protéine lorsque la chaîne contient un grand nombre d‘acides aminés, et de peptide pour des assemblages de petite taille. L'ordre dans lequel les acides aminés s'enchaînent est codé par le génome et constitue la structure primaire de la protéine. La protéine se replie sur elle-même pour former des structures secondaires, dont les plus importantes sont l'hélice alpha et le feuillet bêta. Les protéines remplissent des fonctions très diverses au sein de la cellule et de l'organisme : 

Les protéines des structures, qui permettent à la cellule de maintenir son organisation dans l'espace.



Les protéines de transport, qui assurent le transfert des différentes molécules dans et en dehors des cellules.



Les protéines régulatrices, qui modulent l'activité d'autres protéines.



Les protéines de signalisation, qui captent les signaux extérieurs, et assurent leur transmission dans la cellule ou l‘organisme.



Les protéines motrices, permettant aux cellules ou organismes ou à certains éléments (cils) de se mouvoir ou se déformer.

VI.3.3. Les glucides:  Les glucides constituent la majorité des sources de calorie pour la consommation humaine.  Ils sont également utilisés comme matière première ou additifs pour la fabrication de plusieurs produits alimentaires ou autres.

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 Leur utilisation comme additifs dans les produits alimentaires est due essentiellement à la propriété stabilisante, épaississante et gélifiante de certains glucides Chapitre V : Biotechnologies microbiennes et infectiologie Introduction Ensemble des techniques qui visent à l'exploitation des micro-organismes, des cellules animales et végétales, et de leurs constituants, la biotechnologie, dont les origines se confondent avec l'origine de l'humanité, a trouvé ses premières applications dans le domaine de la santé avec les travaux de Louis Pasteur à la fin du siècle dernier.Accompagnant les progrès de la microbiologie et de l'immunologie, d'autres vaccins de maladies virales ou bactériennes ont été développés au cours de la première moitié du siècle : vaccins préparés à partir de micro-organismes ou de leurs toxines inactivés et formulés en présence de substances adjuvantes de l'immunité, et vaccins préparés à partir de micro-organismes de pouvoir pathogène atténué ; ce développement des vaccins n'a été possible que grâce au développement concomitant des techniques de culture des tissus ou des cellules d'origine animale. Ce n'est toutefois que beaucoup plus récemment qu'un certain nombr e de découvertes de caractère multidisciplinaire mais résultant principalement des progrès de la biochimie, de la biologie moléculaire et de l'immunologie, allaient jouer un rôle décisif dans le diagnostic, la prévention et la lutte contre les principales maladies infectieuses ou parasitaires. Parmi ces découvertes, il convient de mentionner la structure de l'acide désoxyribonucléique (ADN) support de l'hérédité, la structure et la synthèse des protéines, la recombinaison génétique de l'ADN et la fusion cellulaire à l'origine de l'obtention des anticorps monoclonaux. V.1. Diagnostics Au plan général, le diagnostic des maladies infectieuses, virales ou bactériennes et des maladies parasitaires repose sur la mise en évidence de l'agent ou de certains de ses constituants (diagnostic direct) ou sur la mise en évidence des éléments de la réponse immunitaire induite par les antigènes portés par cet agent (diagnostic indirect). V.1.1. diagnostic direct

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Pour le diagnostic direct, les techniques les plus classiquement utilisées (mise en évidence macroscopique ou microscopique directe de l'agent ou après coloration incluant l'utilisation de marqueurs fluorescents, culture, isolement, caractérisation, etc.) cèdent progressivement le pas à de nouvelles techniques plus spécifiques et plus sensibles. Parmi celles-ci figurent les techniques immuno-enzymatiques, qui reposent sur la mise en évidence des déterminants antigéniques portés par l'agent recherché au moyen d'anticorps spécifiques marqués par des enzymes destinées à révéler la formation des complexes antigènes-anticorps. Ces complexes sont révélés par l'activité enzymatique qu'ils portent, l'action de l'enzyme sur un substrat approprié transformant ce dernier en un produit coloré, facilement visualisable. La spécificité et la sensibilité de ces techniques peuvent se trouver considérablement accrues par l'utilisation d'anticorps monoclonaux obtenus par la fusion d'une cellule productrice d'un anticorps monospécifique (plasmocyte B) avec une cellule lui apportant l'immortalisation et la sécrétion (myélome). De même , la sensibilité de ces techniques peut se trouver augmentée par l'utilisation d'un marqueur chimio luminescent en lieu et place d'un marqueur enzymatique. Plus récemment, les progrès réalisés dans la connaissance des acides nucléiques ont permis d'envisager la mise au point de techniques de diagnostic direct basées non plus sur la recherche de l'agent infectieux ou parasitaire et de ses constituants antigéniques, mais sur la mise en évidence du matériel génétique, ADN ou acide ribonucléique (ARN), porté par ces agents. Un progrès décisif pour la mise en évidence des matériels génétiques portés par les agents est représenté par la technique dite d'«amplification en chaîne par polymérase», plus connue sous la dénomination anglaise de «Polymerase Chain Reaction» (PCR). D'une extrême sensibilité, cette technique peut être également d'une grande spécificité qui dépend notamment de la nature des amorces utilisées. Toutes ces techniques, dont certaine (hybridation, amplification de gène) relèvent encore du laboratoire spécialisé et du diagnostic individuel, sont désormais disponibles sous forme de trousses (kits) fournissant tous les éléments nécessaires à la réaction. Nul doute que, dans un proche avenir, leur utilisation au moyen d'automates les destinera au diagnostic de masse en même temps que leur simplification les rendra accessibles au laboratoire non spécialisé ou au praticien.

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V.1.2. Diagnostic indirect Pour le diagnostic indirect, les techniques classiquement utilisées pour la mise en évidence des anticorps (agglutination rapide, agglutination lente, fixation du complément, inhibition de l'hémagglutination, neutralisation, etc.); bien qu'encore très largement utilisées y compris comme techniques de référence, cèdent progressivement le pas aux techniques immunoenzymatiques souvent plus spécifiques et surtout plus sensibles. Les techniques de diagnostic indirect sont basées, comme les techniques de diagnostic direct, sur la mise en évidence de complexes antigènes-anticorps. Dans le cas du diagnostic indirect, les complexes sont formés entre le ou les antigènes de spécificité connue, apportés dans la réaction (virus, bactéries, parasites, etc., ou leurs extraits) et les anticorps éventuellement présents dans l'échantillon soumis à l'analyse. Dans ce cas, les complexes antigènes-anticorps formés peuvent être révélés par différentes techniques, qui utilisent toutes des marqueurs enzymatiques engagés secondairement dans des réactions enzymes-substrats se traduisant par l'apparition de produits colorés. L'apport de la biotechnologie au diagnostic indirect, reposant sur la mise en évidence des composantes cellulaires de la réponse immunitaire, doit être souligné, avec l'utilisation des tests in vivo qui recherchent un état d'hypersensibilité retardée (intradermoréactions) pour le diagnostic de nombreuses infections virales ou bactériennes et d'infestations parasitaires. A ces tests, il convient maintenant d'ajouter les tests in vitro qui s'adressent aux différents éléments cellulaires de la réponse immunitaire en révélant leur niveau de sensibilisation à des antigènes spécifiques (test de cytotoxicité lymphocytaire par exemple). V.2. Nouvelles voies thérapeutiques Tout d‘abord, les biotechnologies ont permis de produire des médicaments que les méthodes industrielles classiques (extraction à partir d‘organismes vivants, souvent des animaux, problèmes de purification, risque de contamination notamment virale) ne permettaient pas ou plus d‘obtenir. C‘est le cas par exemple de l‘hormone de croissance ou des interférons, dont la production est devenue possible grâce au clonage par génie génétique et à la synthèse de protéines à usage thérapeutique, ou encore des anticorps monoclonaux, spécifiquement générés pour bloquer l‘action de certains agents ou récepteurs. Par ailleurs, la disponibilité de protéines pures, en grande quantité, a permis

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le développement de très nombreux kits de diagnostic, alliant simplicité d‘utilisation, sensibilité et spécificité, et a transformé l‘approche de très nombreuses affections. Ensuite, avec le séquençage du génome de nombreux organismes vivants et notamment celui de l‘homme, l‘identification de nouveaux gènes, l‘étude de leurs polymorphismes facilitée par l‘utilisation de bio puces de plus en plus performantes, la découverte de nouveaux mécanismes moléculaires ont facilité la recherche de médicaments entièrement nouveaux. V.3. Lutte contre le dopage et l’utilisation de stupéfiants V.3.1. Les produits dopants Déterminées par le CIO (Comité International Olympique) au Journal Officiel du 17 juin 1998, décret n° 98-464 définit 5 classes de produits interdits. Cette liste n'est pas exhaustive et les produits cités sont des exemples des produits les plus connus. 

Les stimulants qui réduisent la sensation de fatigue physique : amphétamines, cocaïne, caféine...

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Les narcotiques, naturels ou synthétiquesqui diminuent la sensation de douleur : dextromoramide, diamorphine (héroïne), méthadone, morphine, pentazocine, péthidine et substances apparentées.

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Les agents anabolisants qui entraînent une augmentation de la force et de la puissance des muscles et qui sont divisés en 2 classes :

 les stéroïdes anabolisants androgènes (SAA) : testostérone, nandrolone, stanozolol ...  les bêta-2 agonistes. 

Les diurétiques qui sont utilisés pour perdre du poids et diluer les produits dopants injérés.

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Les hormones peptidiques et glycoprotéiniques et analogues qui favorisent le développement de la masse musculaire : gonadotrophine chorionique (HCG), gonadotrophine chorionique humaine, corticotrophine (ACTH) , hormone de croissance (hGH), somatotrophine.

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V.3.2. La lutte contre le dopage Pour lutter contre le dopage, il faut pouvoir détecter, dans le sang, des éventuelles molécules dopantes au milieu de nombreuses autres molécules présentes dans l‘organisme des champions. Des techniques toujours plus performantes pour ce faire ont été développées. C‘est très difficile surtout qu‘elles peuvent n‘être qu‘en très faibles concentrations, parfois pas plus d‘un nano-gramme (ng = un milliardième de gramme) par millilitre – (ng/ml). Imaginez : détecter un morceau de sucre dans une piscine olympique Pour les petites molécules, une des techniques les plus utilisées dans les laboratoires d‘analyse s‘appelle la chromatographie, aujourd‘hui très performante pour traiter le sang ou les urines. La rapidité des analyses est aussi très importante, car on a besoin de diagnostics « en direct » pendant les compétitions sportives. Pour les grosses molécules dopantes également (comme l‘EPO ou l‘hormone de croissance), des techniques très performantes sont disponibles. La chromatographie Il s‘agit de la réalisation d‘un tri entre les différentes espèces moléculaires d‘un mélange. On va ainsi forcer toutes les molécules à effectuer un parcours commun parsemé d‘obstacles : certaines espèces le franchiront aisément, d‘autres auront plus de difficultés. À l‘arrivée, il y aura un échelonnement. Pour entraîner les molécules, il faut les véhiculer dans un fluide – la phase mobile – qui peut être soit un liquide soit un gaz. L‘obstacle à franchir, qui ne doit pas être entraîné par la phase mobile, doit être fixe et produire des effets reproductibles : il constitue la phase stationnaire. Cette phase stationnaire, le plus souvent emprisonnée dans une colonne, peut être un solide ou un liquide immobilisé sur un solide.

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