Les protéines recombinantes sont ainsi qualifiées dans la mesure où elles sont produites par des cellules dont l'ADN a été modifié par recombinaison génétique (voir également fiche n 9). Au sens large, un système de production adapté à la fabrication d'une protéine recombinante donnée, est un process biotechnologique qui s'appuie principalement sur :

• l'emploi d'un vecteur d'expression (en général un plasmide ou un virus -pour les vecteurs eucaryotes-), jouant le rôle de transporteur génétique du gène d'intérêt codant pour la protéine recherchée ;
• l'utilisation d'une cellule hôte, chargée d'exécuter les instructions fournies par le gène d'intérêt qui lui est inséré, dans l'objectif de synthétiser la protéine recherchée ;
• une phase de production proprement dite permettant de fabriquer les volumes de protéines souhaités ;
• enfin, une séparation et extraction de la protéine du milieu de culture, suivie par une purification de celle-ci.

Au sens restreint, un système de production de protéines recombinantes est caractérisé par un couple constitué d'un vecteur d'expression et d'un hôte (cellule ou organisme).

Techniques mises en oeuvre

Une vaste gamme de systèmes de production de protéines recombinantes -c'est-à-dire, au sens restreint, de couples vecteurs-hôtes- est aujourd'hui disponible, chacun d'eux présentant des avantages et des inconvénients. Les hôtes les plus utilisés à l'heure actuelle sont incontestablement la bactérie Escherichia coli, la levure Saccharomyces cerevisiae et les cellules CHO extraites des ovaires de hamster.

• exemples de protéines recombinantes produites : hormone de croissance humaine, insuline, chymosine, interféron- , interleukine-2...

• principaux avantages : sa génétique est très bien connue. De nombreux vecteurs plasmidiques ont été construits et sont donc disponibles afin d'insérer et d'exprimer un gène étranger au sein de la bactérie. Elle est par ailleurs facile à utiliser, se prête très bien à la culture de masse en fermenteur. Enfin, les taux d'expression obtenus sont élevés, c'est-à-dire qu'elle permet de produire des quantités appréciables de protéines (jusqu'à plusieurs grammes par litre).

• principaux inconvénients : sécrétant mal les protéines, il est souvent nécessaire de "casser" la bactérie afin de récupérer la protéine (ce qui induit des problèmes de purification, ou de solubilisation et de renaturation..., quelquefois au détriment des rendements). Autre inconvénient majeur : E. coli n'effectue pas les modifications post-traductionnelles des protéines (en particulier la glycosylation, la carboxylation, etc.), qui constituent souvent une condition sine qua non d'activité de la protéine. Enfin E. coli étant une entérobactérie, il est donc nécessaire de s'assurer de l'absence d'endotoxines dans les protéines purifiées.

• exemples de protéines recombinantes produites : antigène de surface du virus de l'hépatite B, insuline, hirudine...

• principaux avantages : son matériel génétique est simple et elle ne présente aucune toxicité. Bons vecteurs d'expression disponibles aujourd'hui. Les taux d'expression des protéines sont relativement bons (de l'ordre de la centaine de milligrammes par litre). La levure est capable de fabriquer des protéines complexes et de réaliser des modifications post-traductionnelles (glycosylations simples, carboxylations, acylations...).

• principaux inconvénients : les protéines synthétisées sont souvent obtenues à l'intérieur du cytoplasme et nécessitent de casser la cellule afin de les récupérer. La sécrétion est possible, mais en général au détriment des rendements : elle fonctionne bien pour des petits polypeptides tels que l'insuline, mais beaucoup moins bien pour de grandes protéines.

• exemples de protéines recombinantes produites : antigène du virus de l'hépatite B, hormone de croissance humaine, cytokines, érythropoïétine, facteurs de coagulation...

• principaux avantages : méthode déjà employée dans la production d'un vaccin contre l'hépatite B, les cellules CHO se prêtent très bien à la culture de masse en bioréacteur. Un avantage discriminant de ces cellules réside dans leur capacité à synthétiser des protéines complexes de poids moléculaire élevé. Certains vecteurs d'expression (BPV -Bovine Papilloma Virus-, SV40...) permettent d'introduire et de faire exprimer des gènes humains.

• principaux inconvénients : rendements faibles (de l'ordre de 10 milligrammes par litre au maximum. En outre les cellules CHO s'avèrent fragiles et leur culture plus onéreuse.

D'autres systèmes de production, c'est-à-dire d'autres couples hôtes-vecteurs, se développent également aujourd'hui. Les hôtes sont principalement :

Bacillus subtilis, Streptomyces... A leur actif, celles-ci possèdent des capacités de sécrétion supérieures à E. coli. Cependant leur génétique est moins connue, et le niveau de production de protéines est inférieur à celui obtenu avec E. coli.

Une autre voie consiste aujourd'hui à utiliser des bioréacteurs vivants en tant que système de production de protéines recombinantes, c'est-à-dire des plantes et animaux vivants, transgéniques (voir fiches n 1 et 12).

Objectifs de la technologie

Contexte concurrentiel et économique

Grâce aux avancées scientifiques spectaculaires des vingt dernières années en matière de génie génétique et de biologie moléculaire, il est aujourd'hui envisageable de modifier le patrimoine génétique d'un organisme vivant en lui incorporant un fragment d'ADN provenant d'une espèce différente, et de lui faire exprimer cette information génétique étrangère. Ces savoir-faire nouveaux de la génétique ont permis d'ouvrir des voies de recherche et de développement nouvelles aux perspectives considérables. Il devient possible aujourd'hui, en s'appuyant sur ces méthodologies, de reprogrammer le code génétique d'un micro-organisme en lui insérant un gène précis, qui lui permettra de produire une protéine recombinante précieuse (à usage médical -interféron, insuline, hormone de croissance...- ou industriel -enzymes...-).

Les procédés biotechnologiques permettent ainsi de produire des molécules nouvelles -trop complexes à synthétiser par voie chimique-, ou constituent une alternative plus intéressante en regard d'autres procédés d'obtention de molécules actives (à titre d'exemple, l'utilisation de l'hormone de croissance autrefois extraite d'hypophyses de cadavres a malheureusement entraîné des cas de maladie de Creutzfeld-Jacob -lié à un prion présent dans ces extraits-, risque aujourd'hui inexistant avec l'utilisation de la même hormone recombinante, c'est-à-dire obtenue par génie génétique).

Les enjeux économiques sont colossaux. De 50 milliards de francs aujourd'hui, le marché mondial des biotechnologies, dans lequel les protéines recombinantes occupent une place primordiale, devrait atteindre les 300 milliards au tournant de ce siècle.

Mais sur ce marché des protéines recombinantes, la France reste en situation de dépendance, principalement vis-à-vis des Etats-Unis. Ce constat est à corréler avec la situation de l'industrie pharmaceutique française qui n'est plus aujourd'hui qu'au 7 ou 8ème rang mondial, alors qu'elle fut en position d'innovateur dans les années 70. La réussite américaine en biotechnologie s'explique notamment par les rapprochements qui se sont opérés entre les secteurs biotechnologique et pharmaceutique, alors qu'en France, l'industrie pharmaceutique a insuffisamment intégré les nouveaux outils de la biologie moléculaire, condition

sine qua non du développement des activités biotechnologiques.

Le tissu industriel national en biotechnologie ne compte qu'une dizaine d'entreprises de taille significative. Force est de constater que l'industrie française dans ce secteur n'a pas bénéficié d'un soutien financier suffisant, à l'instar notamment des entreprises biotechnologiques américaines, soutenues par une forte activité de capital-risque et par des levées importantes de capitaux sur le NASDAQ. Cependant cette situation devrait s'améliorer grâce à la mise en place du Nouveau Marché parisien, destiné à soutenir le financement des entreprises en forte croissance.

Fonctions remplies :

La mise au point de systèmes de production de protéines recombinantes a pour objectif d'industrialiser la fabrication de ces protéines précieuses. Ces systèmes de production doivent être optimisés, en particulier en termes de qualité des produits obtenus, de rendement et de coût de production.

Environnement technologique

Technologies concurrentes :

Sont susceptibles de venir en concurrence à ces systèmes de production des procédés tels que :

• la synthèse chimique, incluant les hémisynthèses : celle-ci convient à la synthèse de petites molécules, avec une activité fonctionnelle équivalente aux protéines recombinantes ; mais la synthèse chimique nécessite au préalable une connaissance des mécanismes d'action des protéines ;
• l'extraction et la séparation, par criblage, de protéines précieuses présentes à l'état naturel dans certains végétaux ;
• la thérapie génique (voir fiche n 21) : plutôt que d'administrer une protéine, cette thérapie consiste à administrer un gène vectorisé (vecteur viral ou vecteur de synthèse). Cependant cette thérapie se situe encore au stade de l'expérimentation clinique.

Evolutions technologiques :

Les évolutions technologiques actuelles en matière de production de protéines recombinantes se limitent essentiellement à des améliorations et optimisations des procédés existants.

Les efforts portent essentiellement aujourd'hui sur les aspects plus en aval (caractérisation des fonctions des protéines recombinantes obtenues, physiologie, possibilité d'obtention de produit pur...).

Programmes de recherche :

Programme européen Biotechnology 1994-1998 (4è programme cadre) : celui-ci a pour objectif d'examiner toute opportunité nouvelle permettant d'améliorer la compréhension des mécanismes du vivant dans la perspective d'applications futures. Ce programme porte notamment sur les "cell factories", à savoir les cellules-usines de production, notamment en ce qui concerne la production de protéines recombinantes.