PROJET DE RECHERCHE EN ÉQUIPE

UNE PLATEFORME DE MOLÉCULTURE IN VITRO,
UNE PERCÉE MAJEURE DANS LE DOMAINE DU GÉNIE MÉTABOLIQUE

Jusqu’à maintenant, la technologie de la culture cellulaire, qui permet de produire des protéines et différents agents thérapeutiques, reposait principalement sur des cellules animales. Mais les choses sont en train de changer! Surtout avec la mise au point, par l’équipe dirigée par Mario Jolicoeur, professeur à l’École Polytechnique de Montréal, d’un bioréacteur végétal et à production continue, capable de livrer des protéines complexes, exemptes de virus et de prions, pour les secteurs pharmaceutiques et cosméceutiques, et ce, à des coûts compétitifs, voire moindres, qu’avec les cellules animales ou microbiennes. Avec cette innovation, la technologie de la culture cellulaire vient de faire un bond en avant.

« Le bioréacteur végétal n’a été utilisé, jusqu’à récemment, que pour la production de métabolites secondaires, essentiellement tout ce qui n’est pas protéines, fait remarquer Mario Jolicoeur, qui est aussi titulaire de la Chaire de recherche du Canada en génie métabolique appliqué. Mais les temps changent et l’avènement des techniques de biologie cellulaire de pointe ouvre de nouvelles possibilités. La beauté de notre plateforme de moléculture végétale, c’est qu’elle peut produire rapidement des molécules de haute qualité. Nous pouvons ainsi obtenir des protéines recombinantes complexes à partir de cellules végétales modifiées génétiquement. »

De plus, grâce à sa boucle de production et d’isolation en continu, le bioréacteur permet de mieux préserver l’intégrité des protéines sécrétées dans le milieu cellulaire. En fait, le milieu végétal offre d’importants avantages quant à la constance du milieu de production et de la prévention d’infections associées possiblement à l’utilisation du sérum animal ou de cellules de mammifères. Sans compter qu’il en résulte un gain de temps appréciable et une réduction des coûts de production, puisque le processus de purification se fait en une seule étape.

Breveté aux États-Unis, le bioréacteur est aussi très polyvalent, ce qui s’avère un atout important pour le milieu pharmaceutique. « Notre plateforme peut répondre aux différents besoins du marché des protéines. Elle peut produire des quantités importantes de protéines afin d’approvisionner le marché sur plusieurs années, mais elle peut également répondre à des demandes ponctuelles pour de petites quantités, simplement en insérant le gène permettant de produire une protéine dans une culture en cours. S’ajoutant aux autres particularités du bioréacteur, cette approche fait en sorte que nous surpassons largement les technologies végétales in vitro actuelles », souligne M. Jolicoeur.

Préoccupée de la productivité et de la reproductibilité des résultats, l’équipe, composée de chercheurs de l’École Polytechnique et de l’Institut de recherche en biologie végétale de l’Université de Montréal, est allée encore plus loin en matière d’innovation dans le contrôle des cultures cellulaires. «Nous avons mis au point un modèle métabolique dynamique qui permet de prédire les conditions de culture des protéines. L’utilisation de ce modèle mathématique contribue à maximiser la production et à en assurer la reproductibilité. L’intégration de nos stratégies de gestion et de régulation en matière de génie métabolique est en voie d’assurer la compétitivité commerciale de notre plateforme », fait valoir Mario Jolicoeur.

Plus largement, le chercheur s’intéresse aux diverses façons d’améliorer la qualité des bioproduits actuels et d’accroître la stabilité des bioprocédés utilisés en bioréacteur. En fait, la question de la stabilité génétique continue de limiter la production industrielle d’un grand nombre de nouveaux bioproduits complexes.

« Nous travaillons à résoudre ces problèmes en collaboration avec des entreprises du milieu pharmaceutique. Nous sommes également en pourparlers avec des entreprises tant du domaine pharmaceutique que cosméceutique, qui seraient éventuellement intéressées par l’acquisition d’une licence d’exploitation de notre technologie », précise M. Jolicoeur.

GROUPE DE RECHERCHE INTERUNIVERSITAIRE EN LIMNOLOGIE ET EN ENVIRONNEMENT AQUATIQUE (GRIL)

LES ALGUES, UN INDICATEUR SANS ÉGAL DE LA QUALITÉ DE L’EAU

L’état de santé des écosystèmes aquatiques est devenu une préoccupation à l’échelle mondiale. Au Québec, le développement d’outils de gestion fiables, notamment pour le suivi de la pollution agricole dans les cours d’eau, représentait un enjeu important. En effet, la Politique nationale de l’eau (2002) et la Loi 118 sur le développement durable, adoptée en 2006, visaient, entre autres, à intensifier l’assainissement agricole. Se basant sur la longue tradition des pays européens dans le développement et l’utilisation des algues diatomées pour le suivi biologique et l’évaluation de la santé des écosystèmes aquatiques, une équipe de chercheurs québécois dirigée par Stéphane Campeau, de l’Université du Québec à Trois-Rivières et membre du GRIL, a mis au point l’Indice diatomées de l’est du Canada (IDEC). Élaboré ces dernières années à partir de quelques centaines d’échantillons provenant de plus de 100 cours d’eau du Québec, de l’Ontario et des Maritimes, l’indice a été utilisé jusqu’à maintenant dans une vingtaine de bassins versants.

« Pour avoir une idée de ce que permet l’IDEC, prenons l’exemple de la Rivière-des-Envies à St-Tite, en Mauricie, un cours d’eau présentant un grave problème de pollution agricole et d’érosion des sols. Depuis 2004, ce cours d’eau s’inscrit dans un projet de restauration en collaboration avec l’Union des producteurs agricoles (UPA) qui comporte, entre autres, des changements dans les pratiques agricoles et des aménagements en milieu riverain. Lors de l’évaluation de l’état de santé du cours d’eau, à mi-parcours du projet, l’utilisation de l’IDEC permettra de mesurer, dans une vingtaine de stations, l’efficacité des efforts de restauration menés dans le bassin versant sur les écosystèmes aquatiques », souligne Stéphane Campeau.

Les diatomées sont des algues d’une teinte brunâtre qui tapissent le fond des cours d’eau. Ce tapis brunâtre est en fait composé de millions de petites cellules microscopiques. Les algues utilisent, entre autres, le phosphore et l’azote dissous dans l’eau des rivières pour leur croissance. Très sensibles aux nutriments et à la matière organique, les diatomées sont un excellent indicateur du niveau d’eutrophisation des cours d’eau. Ainsi, lorsqu’un rejet pollue un cours d’eau, la communauté de diatomées se transforme. Le nombre de diatomées sensibles à la pollution diminue alors que le nombre de celles qui tolèrent la pollution augmente. Et lorsque l’état d’un cours d’eau se détériore, les espèces sensibles peuvent même disparaître presque complètement au profit des espèces tolérantes qui dominent alors la communauté d’algues. C’est précisément cette transformation dans la structure des communautés que mesure l’indice IDEC.  

Les diatomées sont peu influencées par la taille d’un cours d’eau, ce qui permet à l’IDEC d’être utilisé même dans un petit ruisseau agricole. Par contre, les algues sont sensibles au pH de l’eau, ce qui a conduit les chercheurs à mettre au point des sous-indices afin de tenir compte du pH des rivières et mieux correspondre aux trois éco-régions du Québec. « Nous avons un IDEC-neutre qui est utilisé dans les cours d’eau s’écoulant sur des roches ignées (granites, gneiss, etc.), principalement dans le Bouclier canadien ainsi que dans les milieux humides. Il y a aussi l’IDEC-alcalin qui convient pour les rivières s’écoulant sur les argiles marines et les roches sédimentaires (schistes et shales) des Basses-terres du Saint-Laurent et des Appalaches. Nous venons d’ajouter un troisième indice, l’IDEC-calcaire, qui est utilisé surtout pour les rivières de l’Ouest du Québec et en Ontario. En somme, l’IDEC est actuellement adapté à l’ensemble des régions de l’est du Canada », explique Stéphane Campeau.

Mais il nous reste plusieurs aspects à approfondir relativement à l’IDEC, précise le chercheur, qui s’intéresse particulièrement à la modélisation de la qualité de l’eau et de la structure des communautés aquatiques en lien avec les caractéristiques des bassins versants. Nous nous posons différentes questions, à savoir, par exemple quel est le niveau d’effort à fournir dans les bassins versants pour restaurer les écosystèmes et améliorer l’IDEC ? Dans cette foulée, nous entreprenons d’ailleurs des travaux, en collaboration avec le ministère du Développement durable, de l’Environnement et des Parcs, qui consistent à suivre 30 bassins versants afin de mesurer l’effort de restauration qui a été fait et d’en évaluer l’effet sur les communautés aquatiques. Nous nous intéressons également à la présence de métaux lourds dans les cours d’eau et à leur impact sur l’IDEC. Sans compter que l’on se préoccupe aussi de l’impact des herbicides sur les algues et donc sur l’IDEC. »

Force est de constater que l’IDEC constitue un outil idéal pour effectuer un suivi de restauration et mesurer la portée des interventions sur la qualité de l’eau. Beau, bon, pas cher, pourrait-on dire ! « Son coût d’utilisation est en effet relativement faible, mais l’IDEC permet surtout, grâce aux algues, d’enregistrer toutes les variations dans la qualité de l’eau sur une période d’environ un mois. C’est là un avantage important », conclut Stéphane Campeau. Et pourquoi pas un indicateur pour les lacs ? C’est pour bientôt si l’on en croit le chercheur. Une étudiante au doctorat travaille justement, en collaboration avec l’équipe de Reinhard Pienitz de l’Université Laval, à développer un indice similaire à l’IDEC en se basant sur un échantillon de 60 lacs.

CENTRE D'ÉTUDE DE LA FORÊT (CEF)

LE BOIS MORT, ESSENTIEL AU MAINTIEN DE LA BIODIVERSITÉ DANS NOS FORÊTS

Lorsqu’un arbre meurt en forêt boréale, il s’ensuit une véritable explosion de vie, depuis les insectes et les oiseaux jusqu’aux mammifères comme l’écureuil ou la martre d’Amérique. Les forêts âgées (plus de 100 ans) ainsi que celles venant de subir des perturbations naturelles telles que le feu ou les épidémies d’insectes apparaissent de plus en plus comme de hauts lieux de production du bois mort et donc de diversité biologique. Pour mieux comprendre la dynamique de cet écosystème, une équipe de chercheurs sous la direction de Pierre Drapeau, spécialiste en écologie animale à l’Université du Québec à Montréal (UQAM) et membre du CEF, s’est intéressée aux changements du couvert forestier en forêt boréale et à ses effets sur la biodiversité des écosystèmes en utilisant les oiseaux et les mammifères comme indicateurs. L’équipe a mené récemment des travaux qui montrent l’importance des différents stades de dégradation du bois mort pour le maintien des habitats et des fonctions écologiques des pics, un groupe d’espèces clé dans ce type de forêt.

En fait, plus d’une soixantaine d’espèces animales dépendent du bois mort pour nicher, s’abriter ou encore se nourrir. « Même s’ils perdent leur intégrité et leurs défenses chimiques, les arbres morts conservent toutefois leurs propriétés nutritives pour les invertébrés et leur rôle fonctionnel pour les vertébrés, explique Pierre Drapeau, qui est aussi directeur adjoint de la Chaire industrielle CRSNG/UQAT/UQAM en aménagement forestier durable. Mais, de toutes les perturbations qui ont cours en forêt boréale, la coupe est sans doute celle qui a le plus transformé, ces dernières décennies, les conditions forestières pour la biodiversité. »

« Il est temps d’intégrer nos connaissances sur le fonctionnement des écosystèmes forestiers si l’on veut remplir nos engagements internationaux par rapport au maintien de la diversité et garantir un aménagement forestier durable, soutient M. Drapeau. Dans ce contexte, la reconnaissance du caractère dynamique des forêts âgées dans les pratiques d’aménagement, tant sous l’angle du maintien des espèces animales que de la fonction biologique du bois mort, prend une place importante. Surtout qu’il y a de moins en moins de forêts âgées, donc une diminution non négligeable de bois mort. Et pour obtenir des arbres morts, il faut des arbres vivants, ce qui nécessite de maintenir dans les territoires aménagés davantage de forêts qui ont les caractéristiques des forêts âgées. »

Le Pic à dos noir affectionne le bois récemment mort à la fois pour s'alimenter et y faire son nid, et ce, notamment dans les forêts récemment brûlées. Crédit photo : Antoine Nappi qui vient de déposer une thèse de doctorat sur l'écologie du Pic à dos noir.

C’est d’ailleurs dans ce souci de reconnaissance du rôle clé du bois mort pour la diversité biologique des forêts que certains pays nordiques ont entrepris de réviser leurs pratiques. Ils cherchent, par exemple, à réintroduire les caractéristiques des forêts âgées en « fabriquant du bois mort », allant jusqu’à étêter des arbres afin de laisser des troncs de quatre à cinq mètres de haut dans les zones de coupe.

Traditionnellement, l’aménagement forestier a été centré sur l’approvisionnement en bois. « Les récents développements en matière d’aménagement forestier durable conduisent toutefois à un changement significatif des pratiques forestières, à savoir l’intégration de pratiques diversifiées, telles que la coupe partielle ou la coupe sélective, afin de favoriser, entre autres, la rétention de caractéristiques propres aux forêts âgées, soit des arbres vivants et morts de fort diamètre dans les territoires aménagés. Dorénavant, l’important n’est plus seulement de savoir ce qu’on coupe, mais également ce qu’on laisse. Cela devient une considération importante non seulement sur le plan écologique, mais également dans le contexte économique où la certification environnementale forestière est une voie de plus en plus préconisée pour la mise en marché des produits forestiers », fait valoir le chercheur.

Ce changement fondamental en foresterie relève du concept dit « d’aménagement écosystémique » dont Pierre Drapeau est un ardent défenseur. « L’aménagement écosystémique vise en fait à réduire les écarts entre les forêts naturelles et celles dites aménagées, de façon à maintenir les processus et fonctions des écosystèmes tout en permettant la récolte de bois ainsi que les activités et usages multiples pratiqués en forêt, précise M. Drapeau. On peut bien sûr continuer à produire de la matière ligneuse, mais en mettant de l’avant une vision globale de la forêt fondée sur la connaissance des multiples fonctions de l’écosystème. Désormais, il est donc important d’aménager la forêt comme un tout. »

Le chercheur considère comme un défi très stimulant pour les scientifiques le fait de transférer et d’intégrer les connaissances fondamentales acquises sur le fonctionnement des écosystèmes dans l’élaboration de nouvelles pratiques et stratégies d’aménagement de nos forêts. « Plus qu’un défi, c’est même une nécessité dans le contexte socio-économique actuel où la demande est croissante pour des forêts aménagées qui respectent les critères de l’aménagement forestier durable », soutient-il.

Conformément à ses convictions, Pierre Drapeau a voulu rendre disponibles les résultats des recherches menées sur le fonctionnement des écosystèmes et les différentes facettes de la gestion durable des forêts. Avec un groupe de collaborateurs, il a donc rassemblé toutes les connaissances actuellement disponibles en français sur l’aménagement forestier écosystémique et publié le tout en 2008 sous le titre Aménagement écosystémique en forêt boréale, aux Presses de l’Université du Québec. Un Prix spécial de la ministre de l’Éducation, du Loisir et du Sport a même été décerné aux auteurs de l’ouvrage, le 3 juin dernier, venant ainsi reconnaître l’excellence de leur travail dans le domaine de la pédagogie collégiale et universitaire.

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