OGM et Santé humaine

Les levures peuvent-elles produire des médicaments ?

Divers micro-organismes peuvent être utilisés pour la production de protéines médicamenteuses. Les levures, dont le fonctionnement est proche de celui des organismes supérieurs, présentent plusieurs avantages. L'INRA travaille plus particulièrement sur une espèce très efficace.

Claude Gaillardin
Génétique Moléculaire et Cellulaire, INRA - CNRS - Institut National Agronomique Paris-Grignon

L'utilisation de micro-organismes pour la production de protéines thérapeutiques à haute valeur ajoutée (hormones, vaccins, facteurs de coagulation...) a été l'une des premières applications envisagées pour le génie génétique. Elle permet de s'affranchir des problèmes liés à la difficulté de purifier ces protéines à partir de leurs producteurs naturels (l'homme par exemple), de s'assurer de l'absence de contaminants redoutés (virus, prions entre autres) et, pour un industriel, de maîtriser totalement la chaîne de production.

Dès 1977, la première hormone peptidique, la somatostatine, était produite dans la bactérie Escherichia coli, bientôt suivie par d'autres hormones comme l'insuline ou l'hormone de croissance qui ont depuis totalement supplanté les hormones naturelles dans l'arsenal pharmaceutique. Bien qu'il soit resté le «cheval de labour» pour la production de protéines thérapeutiques ou autres (plusieurs centaines de protéines ont depuis été produites dans cette bactérie), Escherichia coli présente cependant plusieurs limitations dues aux différences physiologiques fondamentales qui existent entre la machinerie cellulaire d'une bactérie et celle d'une cellule humaine : les protéines produites ne subissent pas toutes les modifications caractéristiques des protéines humaines, ce qui peut amener à leur rejet par le système immunitaire, réduire leur durée de vie dans l'organisme voire leur activité biologique. Il est par ailleurs souvent difficile d'obtenir leur exportation de la cellule bactérienne dans le milieu de culture, ce qui complique leur purification.

Des organismes particuliers

L'utilisation d'autres organismes producteurs non bactériens comme les levures ou les champignons, puis de cellules de mammifères ou d'insectes, voire de plantes ou d'animaux, vise à pallier le cas échéant ces limitations. Les levures occupent une place particulière : elles offrent les mêmes facilités expérimentales ou industrielles que les bactéries, en particulier culture aisée en fermenteurs à haute densité cellulaire, tout en possédant une machinerie cellulaire proche de celle d'une cellule humaine.

Le premier vaccin recombinant, contre le virus de l'hépatite B, a été produit dès 1981 par une levure de boulangerie recombinée Saccharomyces cerevisiae, et agréé peu après pour la vaccination humaine. Ce vaccin est depuis très largement utilisé à travers le monde, et en Europe en particulier. Malgré ce succès précoce, S. cerevisiae a rapidement montré elle aussi des limites : en cas de succès, les niveaux de production restent souvent peu élevés (de l'ordre de 100mg à 1g de protéine recombinante par litre de milieu de culture), les modifications des protéines sont souvent anormales, et surtout de nombreuses protéines ne peuvent être exportées dans le milieu extérieur.

L'exploration d'autres espèces de levures, comme Pichia pastoris, Kluyveromyces lactis ou Yarrowia lipolytica (notamment à l'INRA pour cette dernière), qui présentent les mêmes avantages technologiques pour la production que la levure de boulangerie et les mêmes garanties sanitaires, s'est développée considérablement au cours des dix dernières années. La production commerciale d'une enzyme alimentaire (la chymosine, un des composants actifs de la présure de veau utilisée en fromagerie) par la levure K. lactis démontre l'utilité de ces nouveaux hôtes. Ces organismes semblent plus efficaces que la levure de boulangerie, c'est à dire qu'ils produisent plus de protéines dans le milieu extracellulaire, et ces protéines sont plus proches des protéines naturelles. P. pastoris, par exemple, est largement utilisée par les laboratoires pour obtenir rapidement la protéine qui les intéresse à des fins de recherche, ce qui témoigne de sa simplicité d'usage et de sa fiabilité. Ces levures sont cependant aussi incapables que S. cerevisiae de réaliser certaines modifications caractéristiques de protéines humaines. Leur usage se limite donc à la production des protéines pour lesquelles ces modifications sont inutiles, et plus particulièrement à celles qui doivent être produites en larges quantités.

Une levure très efficace

La domestication de ces levures, jusqu'ici peu étudiées en dehors d'applications particulières, représente un travail de longue haleine au cours duquel outils génétiques appropriés et connaissances de base sur la physiologie de ces organismes doivent avancer de pair. L'INRA s'intéresse plus particulièrement au développement d'une de ces espèces, Yarrowia lipolytica, capable de produire plus efficacement que la levure de boulangerie différentes protéines d'origines diverses, soit pour l'industrie agro alimentaire (chymosine, amylase...), soit pour la médecine vétérinaire ou humaine (interféron alpha, facteur de croissance épidermique...). Bien connue sur un plan technologique, cette levure peut être produite en fermenteurs à haute densité sur des substrats bon marché. Des systèmes de production de protéines originaux ont été développés et brevetés par l'INRA.

Constamment améliorés, ils permettent d'envisager la production de protéines très diverses, pour la pharmacie humaine ou vétérinaire, mais aussi pour d'autres applications dans les domaines de l'agro-alimentaire ou de la dépollution.

[R] Pour en savoir plus

Buckholz et Gleeson, 1991. Yeast systems for the commercial production of heterologous proteins. Nature Biotechnology 9 : 1067-1072

Barth et Gaillardin C., 1996. Yarrowia lipolytica. In : K Wolf (ed.) Genetics, biochemistry and molecular biology of non conventional yeasts. Springer, Berlin, pp 313-388

Tharaud et al., 1992. Secretion of human blood coagulation factor XIIIa by the yeast Y. lipolytica. Gene 121 : 111-119

Park et al., 1997. Expression, secretion and processing of rice and amylase in the yeast Y. lipolytica. J. Biol. Chem. 272 : 6876-6881