Biologie de synthèse pour la chimie, l’énergie et l’environnement

Etude publiée en avril 2016

La biologie de synthèse est une évolution majeure des biotechnologies tirant partie des récents progrès autant scientifiques que technologiques associant concepts et outils de différents champs scientifiques (biologie, bio-informatique, biologie des systèmes, chimie, génie des procédés, etc.). Au-delà de succès déjà reconnus, la biologie de synthèse et ses développements portent une dimension nouvelle liée à la possibilité de mettre en œuvre des démarches plus intégrées du design des organismes vivants. Par construction, ces démarches intégrées permettent d’articuler et d’accélérer les transferts des aspects les plus amonts vers l’innovation. Enfin, la biologie de synthèse et ses développements actuels préfigurent le renouvellement des pratiques et des acteurs à travers l’émergence et la mise en place d’une nouvelle ingénierie du vivant. La biologie de synthèse et ses développements sont donc appelés à impacter un nombre très important d’applications.

Dans ce contexte, le Consortium de Valorisation Thématique d’AllEnvi a réalisé à la demande d’AllEnvi, une étude prospective à 5-10 ans portant sur les axes d’innovation de la biologie de synthèse et les acteurs dans les secteurs de la chimie, de l’énergie et de l’environnement. Cette étude répond notamment aux interrogations suivantes :

  • Quelles applications concrètes de la biologie de synthèse dans les domaines de la chimie, de l’énergie et de l’environnement ? Quelles perspectives ?
  • Quelles caractéristiques de la biologie de synthèse vis-à-vis des biotechnologies « classiques » ? Quelles innovations à venir (5-10 ans) ?
  • Quels acteurs industriels portent ces innovations ?
  • Et enfin, comment la recherche accompagne-t-elle cette évolution ?

Dans le domaine de la chimie, le marché des produits issus de ressources renouvelables connaît une évolution importante, et devrait représenter 9% des produits chimiques en 2020 contre 1% en 2009. La synthèse de molécules par transformation et ingénierie biologiques devrait progresser encore plus rapidement : les composés chimiques produits par biologie de synthèse représentent déjà un marché global de 1,5 Md USD qui devrait augmenter de 15 à 25 % par an dans les prochaines années. Cette mutation de l’industrie chimique est motivée par la demande croissante en produits biosourcés et l’obligation de réduction drastique des émissions polluantes des procédés chimiques accompagnés d’une pression réglementaire concernant l’utilisation des matières premières, des intermédiaires de synthèse et des produits chimiques.

Dans le domaine de l’énergie, la biologie de synthèse contribue à l’émergence des biocarburants dits « avancés », c’est-à-dire issus de ressources non alimentaires et notamment les carburants 2G issus de biomasse lignocellulosique (résidus d’agriculture ou de foresterie) et les carburants 3G produits par des microorganismes autotrophes (microalgues). La production d’autres molécules par bioconversion fait aussi l’objet de programmes de recherche et de développement prometteurs. Le marché des transports aériens et routiers sont particulièrement ciblés pour répondre à la demande à venir (doublement du trafic aérien d’ici 2030 et du parc automobile particulier mondial avant 2050) et pour réduire leur impact environnemental (25% des émissions de GES sont dues aux seules activités de transport). Ce secteur reste cependant fragile et fortement dépendant des politiques gouvernementales. De façon plus large, l’Union européenne vise à ce que 20% de toute l’énergie qui sera consommée en 2020, c’est-à-dire non limitée aux biocarburants, ait été produite dans ses États membres et à partir de sources renouvelables.

Dans le domaine de l’agriculture, le développement de variétés végétales plus productives et mieux adaptées aux contraintes climatiques et territoriales représente un enjeu important pour répondre aux besoins alimentaires d’une population mondiale en forte croissance. Il est estimé que 90% de l’augmentation de la production végétale doit venir d’une augmentation de rendement ou d’intensité de production dans un contexte où la surface arable est saturée. Les progrès récents en ingénierie des génomes participent à relever ce défi tout en réduisant l’impact environnemental de la production agricole. Ils doivent cependant faire face à un certain nombre de verrous notamment réglementaires et sociétaux.

Dans le domaine large de l’environnement, surveillance environnementale, détection des pollutions, remédiation et recyclage des déchets organiques sont autant de défis que les technologies de biologie de synthèse participent à relever : en ce qui concerne les biosenseurs, la biologie de synthèse permet l’émergence de bio-rapporteurs innovants, tels que des cellules ou organismes capables de détecter une large gamme de polluants ; elle renouvelle également l’élan vers des stratégies de dépollution biologique ou bioremédiation qui font l’objet de programmes de recherche et de développement prometteurs mais dont les aboutissements sont attendus à plus long terme ; enfin, elle participe au développement de procédés innovants pour l’utilisation de nouvelles ressources (biomasse, déchets, co-produits, produits en fin de vie) afin de faciliter l’accès aux molécules qu’elles contiennent et participer à leur transformation en nouveaux produits tout au long de la chaîne de valeur. Les potentiels environnemental, économique mais aussi sociétal de ces applications sont considérables.

Ces opportunités de développement dans des domaines d’applications aussi variés posent de vrais défis à la recherche.

Introduction : La biologie de synthèse induit-elle une évolution majeure des biotechnologies ?

Éléments de contexte de l’étude ASCo

Applications de la biologie de synthèse en chimie, énergie, environnement

– Lignes de force pour l’innovation en biologie de synthèse : 5 études sectorielles
– La biologie de synthèse déclinée à travers les différents types de châssis

Bactéries, levures, plantes et microalgues à des stades différents de maturité

Perspectives : intégration de la biologie des systèmes

Acteurs en biologie de Synthèse

Positionnement en recherche et en innovation

– Cartographie des activités innovantes des acteurs en biologie de synthèse – Synthèse de l’étude brevet*
– Cartographie des thématiques de recherche en biologie de synthèse – Synthèse de l’étude bibliométrique
– Panorama des acteurs de la biologie de synthèse – Synthèse des données de brevets et de publications / International et France

Problématiques réglementaires et sociétales

Conclusion générale

Annexe – Tableau détaillant la chaîne technologique de la biologie de synthèse

Qui sommes-nous ?

 

Sommaire « Modification des plantes supérieures »

Partie introductive

– Applications-Marchés des plantes génétiquement modifiées (OGM)
– Réglementation
– Biologie de synthèse et OGM

Avancées technologiques en biologie de synthèse des végétaux

– Modification ciblée du génome via site directed nucleases (SDN)
– Contrôle de l’expression
– Utilisation des organelles (plastes, mitochondries)
– Quel châssis végétal ?

Applications des GM Crops / biotech crops (plantes de grandes cultures génétiquement modifiées) et stratégies utilisées/étudiées

– Améliorer le rendement de la biomasse
– Améliorer ou adapter la composition de la biomasse
– Applications en plant factories pour la production de molécules d’intérêt

Conclusion et recommandations

– Synthèse des verrous
– Recommandations

 

Sommaire « Biologie de synthèse pour des applications biosenseurs »

Principe des biosenseurs et application dans divers secteurs biotechnologiques

– Introduction
– Biosenseurs pour les biotechnologies environnementales
– Biosenseurs pour les biotechnologies industrielles
– Biosenseurs pour les biotechnologies rouges
– Verrous de mise au point ou d’utilisation des biosenseurs ?

Marchés des biosenseurs, acteurs académiques et sociétés
– Sociétés dans le domaine
– Laboratoires biosenseurs et programmes marquants

Conclusion

Publications biosenseurs

 

Sommaire « Biologie de synthèse pour la conversion de l’énergie lumineuse »

Introduction
– Pourquoi utiliser l’énergie lumineuse comme nouvelle source d’énergie ?
– Enjeux socio-économiques

La photosynthèse
– Améliorer le rendement de la photosynthèse chez les plantes supérieures et les microalgues
– Plantes supérieures / verrous majeurs
– Microalgues / verrous majeurs
– Principaux acteurs français et internationaux par thématique d’innovation
– Biocarburants / verrous (synthèse)

Production biologique photosynthétique de l’hydrogène (light-to-H2)µ
– Production de H2 par les microalgues / cyanobactéries
– Photofermentation
– Verrous à la production biologique d’hydrogène
– Utiliser la photosynthèse pour produire de l’électricité
– La photosynthèse artificielle
– Conclusion générale et recommandations

Sommaire « Biologie de synthèse pour l’exploitation efficiente de la biomasse »

Contexte

Nouvelles sources de biomasses et « déchets »
Biomasse et déchets organiques

Politiques publiques
– Contexte réglementaire européen
– Énergies renouvelables
– Biocarburants
– Déchets
– Eau
– Autres secteurs

Technologies microbiennes actuelles d’utilisation des biomasses
– Introduction : de la fermentation du sucre à la bioraffinerie
– Bioprocédés de conversion de la lignocellulose par hydrolyse et fermentation (2e génération, voie entièrement biochimique)
– Valorisation de matières carbonées par fermentation de syngas (voie mixte)
– Biocontrôle – utilisation des virus
– Projets, pilotes et démonstrateurs industriels

Procédés de traitement et valorisation reposant principalement sur l’utilisation de communautés microbiennes complexes
– Place acquise par les communautés complexes dans la recherche
– Biologie de synthèse et bioprocédés de traitement et valorisation de déchets et effluents organiques : un sujet prospectif
– Vers une bioraffinerie environnementale

Electrosynthèse microbienne
Principe et applications
– Apport de la biologie de synthèse
Laboratoires majeurs (France et international) : procédés communautés complexes et/ou systèmes bioélectrochimiques
Bibliographie

 

Sommaire « Biologie de synthèse dans la production de métabolites et de protéines »

Introduction
– Enjeux de la production biotechnologique de composés
– De l’ingénierie métabolique à la biologie de synthèse
– Familles de molécules et marchés concernés

Molécules plates-formes pour la chimie et les carburants
– Alcènes par synthèse biologique directe
– Polymères / Bioplastiques
– Biocarburants liquides

Alimentation, cosmétique et autres perspectives
– Acides aminés
– Terpénoïdes (isoprénoïdes) – exemple des caroténoïdes
– Composés phénoliques – exemple des flavonoïdes
– Vitamines
– Autres additifs alimentaires – exemple du stévia

Protéines
– Enzymes industrielles
– Protéines pour la santé

Synthèse des verrous liés à la production de métabolites et de protéines par ingénierie métabolique et biologie de synthèse

Synthèse et perspectives

  • Une étude sous le pilotage d’experts scientifiques (Inra, CNRS, CEA, Irstea, IFP Énergies nouvelles, Université d’Evry) des biotechnologies ;
  • Près d’une quarantaine d’acteurs de la recherche académique et industrielle interrogés sur leurs activités en biologie de synthèse, les verrous rencontrés et leurs priorités en termes d’innovation ;
  • Une étude brevet réalisée spécialement pour le CVT AllEnvi par Questel Consulting qui identifie les tendances révélatrices de l’évolution du domaine au cours de la dernière décennie en termes de châssis utilisés, de technologiques clés, de produits ciblés et d’acteurs impliqués ;
  • Un panorama des compétences en biologie de synthèse au niveau mondial et un benchmark des laboratoires français réalisé au travers d’une étude bibliométrique et d’une enquête réalisées spécialement pour le CVT AllEnvi.

Infos pratiques

Détails sur l’étude

Langue : Français/Anglais
Format : PDF
Nombre de pages : 180

Document à télécharger

Etude - Biologie de synthèse pour la chimie, l'énergie et l'environnement

PAYANT 5 000 €/HT Demander l'étude

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