Agriculture cellulaire

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L'agriculture cellulaire est une branche interdisciplinaire de la science à l'intersection de la médecine et de l'agriculture. L'agriculture cellulaire capitalise sur les avancées en ingénierie tissulaire, science des matériaux, bio-ingénierie et biologie de synthèse pour concevoir de nouveaux modes de production des produits tels que le lait, la viande, les parfums ou encore la corne de rhinocéros, à partir de cellules et de micro-organismes[1].

L'exemple le plus célèbre d'un produit issu de l'agriculture cellulaire est le burger à la viande in vitro du professeur Mark Post, qui a démontré en 2013 la faisabilité d'un tel produit[2].

Historique[modifier | modifier le code]

Bien que l'agriculture cellulaire soit une discipline scientifique récente, des produits issus de ce mode de production, tels l'insuline et la présure, ont été commercialisés dès le début du XXe siècle[3].

En 1922, Frederick Banting, Charles Best, et James Collip soignèrent une patiente diabétique par injection d'insuline, initialement collectée à partir des pancréas réduits en poudre de porcs et de bovins[4]. En 1978, Arthur Riggs, Keiichi Itakura, et Herbert Boyer insérèrent le gène portant les plans de construction de l'insuline humaine dans une bactérie E. coli, l'incitant à produire de l'insuline identique à celle synthétisée par l'homme[5]. La grande majorité de l'insuline actuellement utilisée dans le monde est désormais de l'insuline humaine recombinante synthétisée par des levures ou des bactéries[6].

Le 24 mars 1990, l'agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux, la FDA, a approuvé l'utilisation de bactéries génétiquement modifiées pour produire de la présure, faisant d'elles les premiers êtres vivants génétiquement modifiés pour produire de la nourriture[7]. Dans la fabrication du fromage, la présure est un mélange d'enzymes qui transforme le lait en lait caillé et en lactosérum. Traditionnellement, la présure est extraite de la caillette, le quatrième estomac des jeunes ruminants. Aujourd'hui, la majorité de la fabrication fromagère utilise de la présure issue de bactéries, de champignons ou de levures génétiquement modifiés, car elle est plus pure, plus homogène et moins chère que la présure d'origine animale[8].

Dans un essai de 1931 intitulé Fifty Years Hence, Winston Churchill prédit l'évolution des méthodes de production de la viande selon un paradigme similaire à celui de l'agriculture cellulaire :

« Dans cinquante ans... Nous échapperons à l'absurdité de l'élevage d'un poulet entier pour n'en manger que la poitrine ou l'aile, en produisant ces parties séparément, selon des moyens appropriés[9]. »

En 2004, Jason Matheny a fondé New Harvest, qui fut d'abord une organisation pour la promotion de la viande in vitro, mais dont la mission est désormais « d'accélérer les avancées en agriculture cellulaire »[10]. New Harvest est la seule organisation qui se concentre exclusivement sur l'avancement de l'agriculture cellulaire. Elle finance le premier doctorat en agriculture cellulaire de l'université de Tufts[11] ainsi que l'ouverture d'un laboratoire humide aux Pays-Bas, nommé New Harvest Labs, dans le but de créer des outils d'agriculture cellulaire open source[12].

Depuis 2014, IndieBio, l'incubateur en biologie synthétique de San Francisco, a incubé plusieurs startups pratiquant l'agriculture cellulaire, hébergeant Muufri (lait à partir de culture cellulaire), Clara Foods (blancs d'œufs à partir de culture cellulaire), Gelzen (gélatine à partir de bactéries et de levures), Afineur (grains de café fermentés) et Pembient (bio-synthétisation de corne de rhinocéros). Muufri et Clara Foods ont toutes deux été lancées par New Harvest.

En 2015, Mercy for Animals a créé une seconde organisation, nommée The Good Food Institute (GFI), qui promeut les substituts de viande, d’œufs et de produits laitiers ainsi que la viande in vitro comme alternatives aux produits d'origine animale[13].

Le 13 juillet 2016, New Harvest a accueilli la première conférence internationale sur l'agriculture cellulaire à San Francisco, en Californie[10]. Le lendemain de la conférence, New Harvest a accueilli le premier séminaire dédié aux acteurs industriels, universitaires et gouvernementaux de l'agriculture cellulaire[14].

Outils de recherche[modifier | modifier le code]

Plusieurs outils et techniques clés sont à la base de la recherche en agriculture cellulaire.

Lignées cellulaires[modifier | modifier le code]

Une pièce manquante fondamentale dans le développement de la viande in vitro est la disponibilité de matériaux cellulaires appropriés. Si certaines méthodes et protocoles de culture des cellules des souris et d'êtres humains peuvent s'appliquer à l'agriculture cellulaire, il est devenu clair que la plupart ne le sont pas. Ceci est mis en évidence par le fait que les protocoles établis pour la création de cellules souches embryonnaires d'hommes et de souris ont échoué à créer des lignées cellulaires de cellules souches embryonnaires d'ongulés[15],[16],[17].

Dans l'idéal, les lignées cellulaires pour la production de viande in vitro doivent présenter : l'immortalité, une forte capacité de prolifération, une indépendance de surface, une indépendance à l'égard du sérum et une capacité à former des tissus. Les types de cellules les plus appropriés pour l'agriculture cellulaire sont susceptibles de varier selon les espèces[18],[19].

Milieux de culture[modifier | modifier le code]

Aujourd'hui, la culture de tissus d'origine animale implique l'utilisation de sérum de veau fœtal (SVF). Le SVF est un produit sanguin extrait des fœtus de vache. Ce sérum alimente les cellules en nutriments et fournit des facteurs stimulant la croissance. Mais ce milieu de culture n'est pas durable, est gourmand en ressources lors de sa production et sa composition varie fortement d'un lot à l'autre[20].

Suite à la création des lignées cellulaire, les efforts visant à supprimer le sérum de veau fœtal des milieux de culture sont essentiels à l'avancement de l'agriculture cellulaire, surtout depuis que son utilisation a été la cible de la plupart des critiques de l'agriculture cellulaire et de la viande in vitro. Il est probable que deux milieux de culture seront nécessaires pour chaque type de cellule : un milieu de prolifération, pour la croissance, et un milieu de différenciation, pour la maturation[21].

Expérimentations à grande échelle[modifier | modifier le code]

Vu que les procédés biotechnologiques de l'agriculture cellulaire seront utilisés demain à grande échelle, les expérimentations coûteront de plus en plus cher, puisque des bioréacteurs de plus en plus grands devront être créés. Chaque augmentation en taille nécessitera une ré-optimisation des différents paramètres tels que les opérations unitaires, la dynamique des fluides, les transferts de masse et la cinétique chimique.

Matériaux d'échafaudage[modifier | modifier le code]

Pour que des cellules forment un tissu cellulaire, un matériau d'échafaudage doit être ajouté pour leur fournir une structure. Les échafaudages sont cruciaux pour les cellules dès lors qu'il s'agit de former des tissus de plus de 100 µm d'épaisseur. Un échafaudage idéal doit être non toxique pour les cellules, comestible et permettre la circulation des nutriments et de l'oxygène. D'origine non-animale, il doit également rester bon marché et facile à produire à grande échelle.

Systèmes tissulaires en 3D[modifier | modifier le code]

La phase finale de conception de la viande in vitro consiste à utiliser conjointement les techniques précédentes pour créer de grands morceaux de tissu supérieurs à 100 µm de diamètre, qui peuvent être créés à partir de cellules produites en masse, sans forcément utiliser de sérum, et dont l'échafaudage respecte à la fois les besoins cellulaires et les propriétés recherchées par les concepteurs.

Applications[modifier | modifier le code]

L'agriculture cellulaire conçoit de nouvelles techniques de production des aliments. Alors que la majorité des discussions porte autour des applications alimentaires, notamment la viande in vitro, l'agriculture cellulaire peut être utilisée pour créer toutes sortes de produits, y compris ceux qui n'ont jamais impliqué d'animaux à l'origine, par exemple les huiles essentielles de Gingko Bioworks.


Viande[modifier | modifier le code]

Impossible Foods[modifier | modifier le code]

Dans l'Impossible Burger créé par Impossible Foods, l'hème, qui donne au burger son aspect et son goût sanglants, est produit en transférant le gène codant l'hème du soja à une levure[22].

SuperMeat[modifier | modifier le code]

SuperMeat est une startup israélienne qui a lancé une campagne Indiegogo en 2016 pour développer la production de viande in vitro de poulet[23],[24].

Memphis Meats[modifier | modifier le code]

Memphis Meats est une startup américaine qui a développé en 2016 un prototype de boulette de viande in vitro[25],[26].

Mosa Meat[modifier | modifier le code]

Mosa Meat, qui se focalise sur la viande bovine, est une startup néerlandaise créée suite à la présentation à Londres en 2013 du burger à la viande in vitro de Mark Post[27].

Shojin Meat[28][modifier | modifier le code]

Lait[modifier | modifier le code]

Muufri[modifier | modifier le code]

Muufri est un projet né chez New Harvest qui s'intéresse à l'agriculture cellulaire des produits laitiers. Cette startup basée à San Francisco a été incubée chez IndieBio en 2014. Muufri produit du lait en utilisant des levures à la place des vaches[29],[30].

Œufs[modifier | modifier le code]

Clara Foods[modifier | modifier le code]

Clara Foods est un projet né chez New Harvest. Cette startup basée à San Francisco a été incubée chez IndieBio en 2015. Clara Foods produit des blancs d'œufs en utilisant des levures à la place des œufs[31].

Gélatine[modifier | modifier le code]

Gelzen[modifier | modifier le code]

Gelzen est une startup basée à San Francisco qui a été incubée chez IndieBio en 2015. Gelzen développe une plateforme propriétaire de production de protéines qui utilise des bactéries et des levures pour produire de la gélatine[32],[33].

Café[modifier | modifier le code]

Afineur[modifier | modifier le code]

Afineur est une startup basée à Brooklyn qui développe de nouvelles techniques de fermentation des grains de café pour en améliorer le goût et la digestibilité[34].

Sang de limule[modifier | modifier le code]

Sothic Bioscience[modifier | modifier le code]

Sothic Bioscience est une startup basée à Cork, en Irlande, et incubée chez IndieBio en 2015. Sothic Bioscience développe une plateforme de biosynthèse du sang de limule. Le sang de limule contient du lysat d'amibocyte de limule (LAL), employé notamment dans le domaine pharmaceutique pour tester l'absence d'endotoxines[35],[36].

Huiles essentielles[modifier | modifier le code]

Gingko Bioworks[modifier | modifier le code]

Gingko Bioworks est une entreprise basée à Boston qui développe des huiles essentielles et des micro-organismes sur-mesure[37].

Soie[modifier | modifier le code]

Spiber[modifier | modifier le code]

Spiber est une entreprise basée au Japon qui tente de trouver le gène responsable de la production de fibroïne chez les araignées. Spiber veut transférer ce gène chez des bactéries en utilisant de l'ADN recombinant afin de leur faire produire de la fibroïne. Une fois produite, cette protéine sera tissée pour produire de la soie artificielle[38],[39].

Bolt Thread[modifier | modifier le code]

Bolt Thread est une société basée en Californie qui utilise les séquences génétiques présentes dans l'ADN des araignées pour créer du fil de soie. Leur recette est principalement composée de sucre, d'eau et de sel, ingrédients utilisés par des levures génétiquement modifiées pour produire des protéines de soie sous forme liquide. Ce liquide est ensuite transformé en fibres similaires à l'acrylique selon un procédé appelé « wet spinning »[40],[41].

Cuir[modifier | modifier le code]

Modern Meadow[modifier | modifier le code]

Modern Meadow est une startup basée à Brooklyn qui produit du collagène, une protéine présente dans la peau animale, afin de biosynthétiser du cuir[42].

Recherches actuelles[modifier | modifier le code]

  • Tissu musculaire vascularisé en 3D au King's College[43]
  • Poulet et dinde in vitro à l'université de Caroline du Nord [44]

Programmes de recherche[modifier | modifier le code]

Bourse d'études de New Harvest pour les tissus in vitro à l'Université de Tufts[modifier | modifier le code]

C'est un programme conjoint entre New Harvest et le Centre de Recherche en Génie Tissulaire (TERC), soutenu par le NIH. Cette initiative supporte depuis 2004 les avancées en ingénierie tissulaire sous la forme d'une bourse d'étude pour les étudiants en master et en doctorat de l'université Tufts qui s'intéressent à la bio-ingénierie et à la biologie des systèmes tissulaires en relation avec leur utilité dans l'agro-alimentaire[45].

Références[modifier | modifier le code]

  1. "A Closer Look at Cellular Agriculture and the Processes Defining It - AgFunderNews". 2016-07-05.
  2. Fountain, Henry (2013-05-12).
  3. "About"
  4. "The History of Insulin".
  5. "First Successful Laboratory Production of Human Insulin Announced".
  6. Aggarwal, SR (December 2012).
  7. "FDA approves 1st genetically engineered product for food". 1990-03-24.
  8. "Case Studies: Chymosin".
  9. "Fifty Years Hence | Teaching American History", sur teachingamericanhistory.org.
  10. a et b "History".
  11. "Cellular Agriculture at Tufts University".
  12. "New Harvest Labs".
  13. http://vegnews.com/articles/page.do?pageId=7568&catId=1.
  14. Harvest, New (2016-08-04).
  15. "Challenges and prospects for the establishment of embryonic stem cells of domesticated ungulates".
  16. "The pursuit of ES cell lines of domesticated ungulates".
  17. "Embryonic Stem Cells and Fetal Developmental Models".
  18. "Isolation and culture of bovine embryonic stem cells".
  19. "Why is it so difficult to derive pluripotent stem cells in domestic ungulates?"
  20. Van der Valk, J (2010).
  21. Agapakis, Christina (2012).
  22. "Impossible Foods".
  23. https://www.indiegogo.com/projects/supermeat-real-meat-without-harming-animals-food-technology#/.
  24. "SuperMeat – 100% Meat, 0% Animal Suffering".
  25. "Memphis Meats is making lab-grown meatballs".
  26. "Memphis Meats".
  27. Bunge, Jacob (February 1, 2016).
  28. http://www.shojinmeat.com.
  29. "Muufri Milk".
  30. "Muufri Milk".
  31. http://www.new-harvest.org/clara_foods.
  32. https://biotechin.asia/2015/12/02/gelzen-inc-making-sustainable-animal-free-gelatin/.
  33. http://www.gelzen.com.
  34. https://www.afineur.com.
  35. http://www.new-harvest.org/sothic-bioscience.
  36. http://bitnami-lampstack-b011.cloudapp.net.
  37. http://www.ginkgobioworks.com.
  38. http://newatlas.com/spiber-synthetic-silk/28267/.
  39. https://www.spiber.jp.
  40. "Bolt Threads".
  41. Rao, Leena (May 11, 2016).
  42. http://www.modernmeadow.com.
  43. http://www.new-harvest.org/cultured_steak.
  44. http://www.new-harvest.org/cultured_chicken.
  45. http://www.new-harvest.org/grants.