Modern Biotechnology

# Modern Biotechnology ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l'élève sera capable de : - Définir précisément les termes clés de la biotechnologie moderne. - Expliquer les applications de la biotechnologie dans la production d'insuline humaine et dans l'empreinte génétique (DNA fingerprinting). - Décrire les applications de la biotechnologie dans la production du pain, de la bière et du vin. - Appliquer les concepts théoriques à des exercices pratiques résolus étape par étape. - Utiliser correctement les notations scientifiques et les formules en LaTeX. - Identifier et distinguer les processus biotechnologiques selon leur domaine d'application. **Prérequis** : Connaissances de base en biologie cellulaire (ADN, ARN, protéines, plasmides, bactéries, levures), en génétique (transcription, traduction, réplication), et en chimie des macromolécules (glucides, lipides, protéines). Familiarité avec les concepts de fermentation et de métabolisme microbien. --- ## I. Notion et définition des terminologies La biotechnologie moderne désigne l'utilisation d'organismes vivants, de leurs parties ou de leurs produits pour modifier des produits ou des processus destinés à un usage spécifique. Elle repose sur la manipulation délibérée de systèmes biologiques au niveau moléculaire, cellulaire ou organismique. > **Définition clé** : La biotechnologie est l'application de connaissances et de techniques issues de la biologie moléculaire, de la génétique et de la microbiologie pour produire des biens et services utiles à l'homme, notamment dans les domaines de la santé, de l'agriculture et de l'industrie. ### Sous-sections #### ### 1.1. Termes fondamentaux - **ADN recombinant** : Molécule d'ADN formée par la combinaison de fragments d'ADN provenant de deux organismes différents, généralement insérée dans un plasmide bactérien pour être amplifiée. > *Exemple* : L'insertion du gène humain de l'insuline dans un plasmide *E. coli* pour produire de l'insuline recombinante. - **Plasmid** : Molécule d'ADN extracromosomique, généralement circulaire, présente chez les bactéries, capable de se répliquer indépendamment du chromosome bactérien. > *Propriété* : Peut porter des gènes de résistance aux antibiotiques ou des gènes d'intérêt (comme celui de l'insuline) pour être utilisé comme vecteur de clonage. - **Enzyme de restriction** : Enzyme qui coupe l'ADN à des séquences spécifiques appelées sites de reconnaissance. > *Exemple* : *EcoRI* coupe l'ADN entre G et A dans la séquence 5'-GAATTC-3', produisant des extrémités collantes. - **Ligase** : Enzyme qui catalyse la formation d'une liaison phosphodiester entre deux extrémités d'ADN, essentielle pour refermer le plasmide après insertion d'un fragment d'ADN. > *Réaction* : $5'\text{-PO}_4 + \text{HO}-3' \rightarrow 5'\text{-PO}_4-\text{O}-3' + \text{H}_2\text{O}$ - **Vecteur** : Molécule d'ADN (souvent un plasmide ou un virus) utilisée pour transporter un fragment d'ADN étranger dans une cellule hôte. > *Critère* : Doit être capable de se répliquer dans l'hôte, porter un gène marqueur (ex. : résistance à l'antibiotique) et contenir un site d'insertion unique. - **Clone** : Population de cellules ou de molécules identiques dérivées d'une seule cellule ou molécule ancestrale par reproduction asexuée. > *Exemple* : Une colonie bactérienne issue d'une seule cellule transformée portant le plasmide recombinant est un clone. - **Expression génique** : Processus par lequel l'information contenue dans un gène est utilisée pour synthèse d'un produit fonctionnel (ARN ou protéine). > *Étapes* : Transcription → traitement de l'ARN → traduction → modification post-traductionnelle. - **Fermentation** : Processus métabolique anaérobie permettant la production d'ATP par dégradation de substrats organiques (comme le glucose) sans utilisation d'oxygène moléculaire comme accepteur final d'électrons. > *Exemple* : La fermentation alcoolique par *Saccharomyces cerevisiae* : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$ #### ### 1.2. Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Un plasmide utilisé comme vecteur contient un gène de résistance à l'ampicilline et un site d'insertion pour *EcoRI*. Après insertion d'un fragment d'ADN humain contenant le gène de l'insuline, les bactéries transformées sont cultivées sur un milieu contenant de l'ampicilline. Pourquoi seules les bactéries portant le plasmide recombinant survivent-elles ? *Solution* : Seules les bactéries ayant incorporé le plasmide (que ce soit le plasmide original ou le plasmide recombinant) expriment le gène de résistance à l'ampicilline et peuvent donc survivre sur le milieu contenant cet antibiotique. Le plasmide recombinant conserve ce gène de résistance, donc les bactéries transformées avec celui-ci survivent également. Les bactéries non transformées meurent car elles n'ont pas acquis le gène de résistance. **Exercice 2** : Une enzyme de restriction reconnaît la séquence 5'-CCGG-3' et coupe entre les deux C. Quelle est la séquence des extrémités collantes produites ? *Solution* : La coupure se produit comme suit : 5'-C C G G-3' 3'-G G C C-5' Après coupure entre les premiers C de chaque brin : Brins gauche : 5'-C et G G-3' Brins droits : 3'- G G C C-5' Donc les extrémités sont : 5'-C-3' et 3'-G G C C-5' sur un brin, et 5'-G G-3' et 3'-C C-5' sur l'autre. En réalité, la coupure donne des extrémités de 4 bases : 5'-overhang : 5'-C-3' (en fait, c'est un décalage) Attention : si la coupure est entre les deux C, alors : Brins : 5'-C | C G G-3' 3'-G G C | C-5' Après coupure : Fragment 1 : 5'-C-3' et 3'-G G C-5' Fragment 2 : 5'-C G G-3' et 3'-C-5' Donc les extrémités collantes sont : Sur un fragment : 5'-C-3' (en saillie) et sur l'autre brin 3'-G G C-5' → donc l'overhang est 5'-C-3' sur un brin et 3'-G G C-5' sur l'autre → mais cela n'est pas symétrique. En réalité, pour une séquence palindromique comme 5'-CCGG-3', la coupure entre les deux C donne : 5'-C et G G-3' 3'-G G et C-5' Donc chaque fragment a une extrémité : 5'-C-3' sur un brin et 3'-G G C-5' sur l'autre → mais cela n'est pas un overhang standard. En fait, la séquence 5'-CCGG-3' est reconnue par *HpaII*, qui coupe entre le premier C et le G : 5'-C|CGG-3'. Mais l'énoncé dit : "coupe entre les deux C". Donc si la séquence est 5'-C-C-G-G-3', et qu'on coupe entre le premier et le deuxième C : 5'-C | C G G-3' 3'-G G C | C-5' Après coupure : Brins du fragment de gauche : 5'-C-3' et 3'-G G C-5' Brins du fragment de droite : 5'-C G G-3' et 3'-C-5' Donc les extrémités sont : - Fragment gauche : 5'-C-3' (sur un brin) et 3'-G G C-5' (sur l'autre) → donc un overhang de 1 base sur le brin 5' (C) et 3 bases sur le brin 3' (GGC) → pas symétrique. Cela n'est pas biologiquement réaliste pour une enzyme de restriction standard. En réalité, les enzymes de restriction coupent de façon à produire des overhangs symétriques ou des extrémités blunt. Supposons que l'énoncé veuille dire : coupe entre les deux bases centrales, comme dans 5'-C^CGG-3' (coupure après le premier C). Alors : 5'-C | C G G-3' 3'-G G C | C-5' Après coupure : Fragment A : 5'-C-3' et 3'-G G C-5' Fragment B : 5'-C G G-3' et 3'-C-5' Les extréntés simples : Sur Fragment A : brin 5' se termine par C, brin 3' se termine par GGC → donc l'overhang est 5'-C-3' sur le brin 5' et 3'-G G C-5' sur le brin 3' → mais pour avoir un overhang, on regarde les nucléotides non appariés. En fait, après coupure, chaque fragment a une extrémité où un brin est plus long que l'autre. Pour Fragment A : 5'-C-3' 3'-G G C-5' Le brin 5' a 1 nucléotide, le brin 3' en a 3 → donc l'overhang est sur le brin 3' : 5'-G G C-3' (en lisant dans la direction 5' vers 3', l'overhang est la séquence qui dépasse : sur le brin 3', on a G G C en excès par rapport au brin 5', donc l'overhang est 5'-G G C-3'). Pour Fragment B : 5'-C G G-3' 3'-C-5' Le brin 5' a 3 nucléotides, le brin 3' en a 1 → donc l'overhang est sur le brin 5' : 5'-C G G-3'. Donc les deux fragments ont des overhangs complémentaires : Fragment A : overhang 3'-G G C-5' → équivalent à 5'-C G G-3' (en lecture 5'→3') Fragment B : overhang 5'-C G G-3' Donc ils peuvent s'annéaler : 5'-C G G-3' avec 3'-G G C-5' → oui, complémentaire. Donc les extrémités collantes sont : 5'-C G G-3' (sur un fragment) et 3'-G G C-5' (sur l'autre), ce qui correspond à un overhang de 3 bases : 5'-CGG-3'. > *Réponse* : Les extrémités collantes produites sont de type 5'-overhang avec la séquence 5'-C G G-3'. **Exercice 3** : Pourquoi le gène humain de l'insuline ne peut-il pas être exprimé directement dans *E. coli* sans modification préalable ? *Solution* : Le gène humain de l'insuline contient des introns (séquences non codantes) qui doivent être retirés par épissage pour produire un ARN messager mature. *E. coli* ne possède pas le mécanisme d'épissage des introns présents chez les eucaryotes. Donc, si le gène génomique humain est inséré dans *E. coli*, la transcription produira un pré-ARN contenant des introns, qui ne sera pas correctement traduit, menant à une protéine non fonctionnelle ou absente. Pour contourner cela, on utilise de l'ADNc (complementary DNA) synthétisé à partir de l'ARNm mature par transcriptase inverse, qui ne contient que les exons. --- ## II. Application de la biotechnologie dans la production d'insuline humaine et de l'empreinte génétique (DNA fingerprinting) ### ### 2.1. Production d'insuline humaine par biotechnologie L'insuline est une hormone peptidique produite par les cellules β des îlots de Langerhans du pancréas, essentielle à la régulation de la glycémie. Avant les années 1980, l'insuline utilisée chez les diabétiques était extraite du pancréas de porc ou de vache, ce qui présentait des risques d'allergie et des variations d'activité. La biotechnologie a permis la production d'insuline humaine identique à celle produite naturellement par l'homme, réduisant les effets indésirables. > **Définition clé** : L'insuline humaine recombinante est produite par l'expression d'un gène humain d'insuline inséré dans un plasmide bactérien, transformé dans *Escherichia coli* ou *Saccharomyces cerevisiae*, suivie de la purification de la protéine fonctionnelle. #### Étapes de la production : 1. **Isolation de l'ARNm** : L'ARNm codant pour la préproinsuline est isolé des cellules β pancréatiques humaines. 2. **Synthèse de l'ADNc** : Par rétrotranscription utilisant la transcriptase inverse, on synthétise l'ADN complémentaire (ADNc) à partir de l'ARNm. 3. **Amplification par PCR** : Le gène d'insuline est amplifié à l'aide de primers spécifiques contenant des sites de restriction (ex. : *EcoRI* et *HindIII*) aux extrémités. 4. **Insertion dans un plasmide vecteur** : Le plasmide (ex. : pBR322 ou pUC) est coupé avec les mêmes enzymes de restriction. Le fragment d'ADNc d'insuline est ligaturé dans le plasmide par l'action de la ligase. 5. **Transformation bactérienne** : Le plasmide recombinant est introduit dans des cellules compétentes de *E. coli* par choc thermique ou électroporation. 6. **Sélection des transformants** : Les bactéries sont cultivées sur un milieu contenant un antibiotique (ex. : ampicilline) dont le gène de résistance est porté par le plasmide. Seules les bactéries transformées survivent. 7. **Induction de l'expression** : La transcription du gène d'insuline est induite par un inducteur comme l'IPTG (isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside), qui inhibe le répresseur lac. 8. **Récupération et purification** : La préproinsuline est accumulée dans le cytoplasme ou sécrétée dans le périplasme. Elle est ensuite purifiée par chromatographie. 9. **Conversion en insuline active** : La préproinsuline contient un signal peptidique qui est retiré lors de la sécrétion, donnant la proinsuline. La proinsuline est ensuite traitée enzymatiquement : suppression du peptide C par des protéases spécifiques (trypsine-like et carboxypeptidase B) pour libérer l'insuline mature composée de deux chaînes polypeptidiques (A et B) reliées par deux ponts disulfure. > **Formule clé** : La réaction de formation d'un pont disulfure entre deux cystéines : > $2\text{R-SH} \rightarrow \text{R-S-S-R} + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^-$ > Dans la cellule, cela est médiée par des enzymes comme la protéine disulfure isomérase (PDI) dans un environnement oxydant. #### ### 2.2. Empreinte génétique (DNA fingerprinting) L'empreinte génétique, ou profil génétique, est une méthode permettant d'identifier un individu de manière unique à partir de son ADN, basée sur la variabilité des régions non codantes du génome, notamment les répétitions en tandem courtes (STR - Short Tandem Repeats) ou les polymorphismes de longueur des fragments de restriction (RFLP - Restriction Fragment Length Polymorphism). > **Définition clé** : L'empreinte génétique est l'analyse du nombre de répétitions dans des loci STR spécifiques, permettant d'obtenir un profil génétique unique pour chaque individu (sauf les vrais jumeaux monozigotes). #### Principe : - Les STR sont des séquences de 2 à 6 paires de bases répétées en tandem (ex. : 5'-GATA-3' répété 10 fois). - Le nombre de répétitions varie d'un individu à l'autre en raison de mutations lors de la réplication ou de la recombinaison. - En analysant plusieurs loci STR (généralement 13 à 20 dans les systèmes judiciaires), on obtient une combinaison de fréquences alléliques extrêmement rare, rendant la probabilité qu deux individus aient le même profil négligeable (< 1 sur un milliard). #### Étapes de l'empreinte génétique : 1. **Extraction de l'ADN** : À partir d'un échantillon biologique (sang, salive, cheveux avec follicule, sperme). 2. **Amplification par PCR** : Des primers spécifiques flanquant les loci STR sont utilisés pour amplifier les régions ciblées. Chaque primer est marqué par un fluorochrome différent pour permettre la détection par électrophorèse capillaire. 3. **Électrophorèse** : Les fragments PCR amplifiés sont séparés selon leur taille par électrophorèse sur gel ou capillaire. 4. **Détection** : La fluorescence des marqueurs permet de déterminer la taille exacte de chaque fragment, correspondant au nombre de répétitions STR. 5. **Interprétation** : Le profil obtenu (liste des allèles à chaque locus) est comparé à celui d'un suspect, d'une victime ou d'une base de données. > **Exemple résolu** : > À un locus STR nommé D3S1358, la séquence répétée est 5'-TATC-3'. > Un individu possède : > - Allèle 1 : 15 répétitions → longueur = 2 (primers) + 15×4 = 2 + 60 = 62 pb > - Allèle 2 : 18 répétitions → longueur = 2 + 18×4 = 2 + 72 = 74 pb > Après PCR et électrophorèse, on observe deux pics à 62 pb et 74 pb. > Le génotype est donc noté : 15,18. #### ### 2.3. Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Dans la production d'insuline recombinante, pourquoi utilise-t-on de l'ADNc plutôt que le gène génomique humain ? *Solution* : Le gène génomique humain de l'insuline contient un intron situé entre les exons codant pour les chaînes B et A. *E. coli* ne possède pas le système d'épissage nécessaire pour retirer cet intron. Si le gène génomique est utilisé, la transcription produira un pré-ARN contenant l'intron, qui ne sera pas correctement traduit, résultant en une protéine non fonctionnelle ou absente. L'ADNc, dépourvu d'introns, permet une traduction directe et correcte en préproinsuline. **Exercice 2** : Un échantillon d'ADN est analysé pour trois loci STR : - TH01 : allèles 9, 9.3 - D21S11 : allèles 28, 30 - FGA : allèles 22, 24 Quelle est la probabilité approximative que deux individus non apparentés aient ce même profil, sachant que les fréquences alléliques sont respectivement : TH01(9) = 0.2, TH01(9.3) = 0.1 → génotype 9,9.3 = 2×0.2×0.1 = 0.04 D21S11(28) = 0.15, D21S11(30) = 0.2 → génotype 28,30 = 2×0.15×0.2 = 0.06 FGA(22) = 0.1, FGA(24) = 0.15 → génotype 22,24 = 2×0.1×0.15 = 0.03 *Solution* : En supposant l'indépendance des loci (équilibre de linkage), la probabilité du profil complet est le produit des probabilités de chaque génotype : $P = 0.04 \times 0.06 \times 0.03 = 0.000072 = 7.2 \times 10^{-5}$ C'est-à-dire environ 1 chance sur 13 889. > *Note* : En pratique, on utilise plus de loci (13-20) pour réduire cette probabilité à moins de 1 sur un milliard. **Exercice 3** : Lors de la purification de l'insuline recombinante, la proinsuline est traitée par deux enzymes spécifiques : une qui coupe du côté terminal de la chaîne B et une autre du côté terminal de la chaîne C. Nommez ces enzymes et expliquez leur spécificité. *Solution* : Les enzymes utilisées sont : - **Trypsine** : coupe du côté terminal des résidus de lysine (K) ou d'arginine (R). Dans la proinsuline, elle reconnaît le site Lys-Arg entre la chaîne B et le peptide C. - **Carboxypeptidase B** : retire les résidus basiques (arginine ou lysine) du terminus C-terminal. Elle retire l'arginine restante après l'action de la trypsine, laissant la chaîne B avec un terminus C-terminal en glycine. > *Spécificité* : La trypsine est spécifique pour les liaisons peptidiques du côté C-terminal des résidus basiques (K, R). La carboxypeptidase B enlève successivement les acides aminés basiques du terminus C-terminal. --- ## III. Application de la biotechnologie dans la production du pain, de la bière et du vin La biotechnologie traditionnelle, basée sur l'utilisation de micro-organismes pour la transformation des aliments, est largement utilisée dans la production du pain, de la bière et du vin. Ces processus reposent sur la fermentation, un métabolisme anaérobie permettant la production d'énergie sans oxygène, accompagnée de la formation de métabolites secondaires d'intérêt (alcool, acide organique, gaz). > **Définition clé** : La fermentation est un processus métabolique anaérobie dans lequel un substrat organique (comme le glucose) est dégradé pour produire de l'ATP, avec un composé organique servant d'accepteur final d'électrons, conduisant à la formation de produits tels que l'éthanol, l'acide lactique ou le dioxyde de carbone. ### ### 3.1. Production du pain Le pain est produit principalement par la fermentation alcoolique de la pâte par des levures, principalement *Saccharomyces cerevisiae*. La fermentation produit du dioxyde de carbone, qui est piégé dans le réseau de gluten, provoquant la levée de la pâte, et de l'éthanol, qui s'évapore lors de la cuisson. > **Règle clé** : La réaction globale de la fermentation alcoolique est : > $$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\text{levure}} 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$$ #### Étapes de la fabrication du pain : 1. **Pétrissage** : Mélange de farine (riche en amidon et en protéines gluténiques), eau, sel et levure. Le gluten forme un réseau élastique capable de retenir les gaz. 2. **Fermentation (pointage)** : La levure métabolise les sucres présents (glucose, maltose provenant de l'amidon par action des amylases) par glycolyse suivie de fermentation alcoolique. Production de CO₂ et d'éthanol. - Glycolyse : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 2\text{NAD}^+ + 2\text{ADP} + 2\text{P}_i \rightarrow 2\text{CH}_3\text{COCOO}^- + 2\text{NADH} + 2\text{H}^+ + 2\text{ATP} + 2\text{H}_2\text{O}$ - Fermentation alcoolique : $2\text{CH}_3\text{COCOO}^- + 2\text{NADH} + 2\text{H}^+ \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + 2\text{NAD}^+$ 3. **Dégazage** : La pâte est aplatie pour redistribuer les levures et les nutriments, et éliminer les gros bulles de gaz. 4. **Apprêt** : Deuxième fermentation permettant une nouvelle production de gaz et un développement des arômes. 5. **Cuisson** : La chaleur tue la levure, fixe la structure du gluten par dénaturation, et évapore l'éthanol. La croûte se forme par réaction de Maillard et caramélisation. #### ### 3.2. Production de la bière La bière est produite par fermentation du moût (liquide extrait du malt d'orge) par des levures de bière (*Saccharomyces cerevisiae* pour les ales, *Saccharomyces pastorianus* pour les lagers). Le processus implique la maltage, le brassage, la fermentation et la maturation. > **Règle clé** : La fermentation alcoolique produit de l'éthanol et du CO₂, mais dans la bière, une partie du CO₂ est retenue pour donner la carbonatation, soit naturellement (refermentation en bouteille) soit par ajout forcé. #### Étapes de la fabrication de la bière : 1. **Maltage** : L'orge est humidifiée, laissée germer (activation des enzymes comme les amylases et protéases), puis séchée et torréfiée. Cela produit du malt riche en enzymes capables d'hydrolyser l'amidon en sucres fermentescibles. 2. **Brasse** : Le malt est concassé et mélangé à de l'eau chaude (empâtage) pour permettre l'hydrolyse de l'amidon : $\text{(C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5)_n + n\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{amylase}} n\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ Le liquide filtré s'appelle le moût, riche en maltose, glucose et dextrines. 3. **Ébullition** : Le moût est bouilli avec ajout de houblon (pour l'amertume, l'arôme et la conservation). Les acides alpha du houblon sont isomérisés en acides iso-alpha, amers. 4. **Refroidissement et inoculation** : Le moût est refroidi à une température adaptée (15-20°C pour les ales, 8-12°C pour les lagers) et ensemencé avec de la levure. 5. **Fermentation primaire** : La levure métabolise les sucres : - Les glucoses et maltoses sont convertis en éthanol et CO₂ via la voie glycolytique et la fermentation alcoolique. - Certaines levures produisent des esters et des phénols qui contribuent à l'arôme (ex. : acétate d'éthyle pour des notes fruitées). 6. **Fermentation secondaire (maturation)** : La bière est stockée à basse température pour permettre la sédimentation des levures et des protéines, et le développement des arômes. 7. **Conditionnement** : La bière est filtrée, pasteurisée ou non, et conditionnée en fût ou en bouteille. Une refermentation peut être induite par ajout de sucre et de levure pour produire du CO₂ naturel. #### ### 3.3. Production du vin Le vin est produit par fermentation du jus de raisin (moût) par des levures sauvages présentes sur la peau du raisin (*Saccharomyces cerevisiae*, *Kloeckera*, etc.) ou par des levures sélectionnées. Le raisin contient naturellement des sucres (glucose et fructose), des acides (tartrique, malique, citrique), des polyphénols et des arômes precursors. > **Règle clé** : La fermentation alcoolique du glucose ou du fructose suit la même réaction : > $$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$$ #### Étapes de la fabrication du vin : 1. **Vendange** : Récolte des raisins à maturité optimale (équilibre sucre/acidité). 2. **Égrappage et foulage** : séparation des rafles et écrasement des baies pour libérer le jus (moût). 3. **Fermentation alcoolique** : - Pour les vins blancs : le moût est souvent séparé des peaux avant fermentation. - Pour les vins rouges : la fermentation se fait en présence des peaux et des pépins (macération) pour extraire la couleur (anthocyanes) et les tanins. - La levure métabolise le glucose et le fructose : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 2\text{ADP} + 2\text{P}_i \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + 2\text{ATP}$ (via glycolyse et régénération du NAD⁺ par réduction de l'acétaldéhyde en éthanol). 4. **Décuvage et pressurage** : Pour les vins rouges, après fermentation, le vin est séparé des solides (marc) et le marc est pressé pour extraire le vin de presse. 5. **Fermentation malolactique (optionnelle)** : Conversion de l'acide malique en acide lactique et CO₂ par des bactéries lactiques (*Oenococcus oeni*) : $\text{HOOC-CH}_2\text{-CH(OH)-COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{-CH(OH)-COOH} + \text{CO}_2$ Cela réduit l'acidité et augmente la complexité aromatique. 6. **Élevage** : Le vin est stocké en cuve ou en fût de chêne pour permettre la stabilisation, l'oxygénation contrôlée et l'extraction de composés du bois (vanilline, lactones). 7. **Clarification et stabilisation** : Traitements (bentonite, filtration) pour éliminer les particules troubles et prévenir les troubles post-embouteillage. 8. **Mise en bouteille** : Le vin est embouteillé, parfois avec ajout de SO₂ comme conservateur et antioxydant. #### ### 3.4. Exercices d'application corrigés **Exercice 1** : Dans la fabrication du pain, pourquoi la pâte lève-t-elle pendant la fermentation ? *Solution* : La levure *Saccharomyces cerevisiae* métabolise les sucres (glucose, maltose) présents dans la pâte par glycolyse suivie de fermentation alcoolique. Cette voie métabolique produit du dioxyde de carbone (CO₂) comme produit secondaire : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$ Le CO₂ est un gaz peu soluble dans l'eau et est piégé dans le réseau élastique de gluten formé par les protéines gliadine et glutenine de la farine. L'accumulation de ce gaz crée une pression qui déforme le réseau, provoquant l'augmentation du volume de la pâte : c'est la levée. **Exercice 2** : Une brasserie produit une bière avec un degré d'alcool de 5% vol. Si elle utilise 100 kg de moût contenant initialement 12% de sucre fermentescible (masse/masse), quelle est la quantité théorique d'éthanol produite, sachant que la fermentation du glucose suit : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2$ et que les masses molaires sont : glucose = 180 g/mol, éthanol = 46 g/mol ? *Solution* : - Masse de sucre fermentescible = 12% de 100 kg = 12 kg = 12 000 g - Nombre de moles de glucose = $\frac{12000}{180} = 66.67$ mol - D'après l'équation, 1 mol de glucose produit 2 mol d'éthanol → moles d'éthanol = $2 \times 66.67 = 133.33$ mol - Masse d'éthanol théorique = $133.33 \times 46 = 6133.33$ g = 6.13 kg - Masse totale du moût = 100 kg → pourcentage théorique d'éthanol en masse = $\frac{6.13}{100} \times 100 = 6.13\%$ > *Note* : Le degré d'alcool en volume (5% vol) est inférieur à ce théorique car : > - Tous les sucres ne sont pas fermentescibles (dextrines restantes) > - Certaines levures produisent du glycérol ou d'autres sous-produits > - Pertes lors du transfert, de l'évaporation pendant l'ébullition, etc. > La valeur réelle dépend de l'efficacité de la fermentation et de la composition initiale du moût. **Exercice 3** : Pourquoi la fermentation malolactique est-elle souvent souhaitée dans la production des vins rouges mais rarement dans celle des vins blancs ? *Solution* : La fermentation malolactique convertit l'acide malique (dicarboxylique, plus fort et plus aigu) en acide lactique (hydroxycarboxylique, plus doux et plus rond) et du CO₂ : $\text{HOOC-CH}_2\text{-CH(OH)-COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{-CH(OH)-COOH} + \text{CO}_2$ Dans les vins rouges, cette transformation : - Réduit l'acidité totale, rendant le vin plus équilibré et moins agressif en bouche. - Contribue à la complexité aromatique (notes de beurre, de yaourt dues au diacétyle). - Favorise la stabilité microbiologique en consommant des nutriments qui pourraient autrement soutenir la croissance de bactéries indésirables. Dans les vins blancs, particulièrement ceux destinés à être frais et fruités (ex. : Sauvignon Blanc, Pinot Grigio), l'acidité malique apporte une vivacité et une fraîcheur désirées. Sa conversion rendrait le vin trop mou et moins caractéristique de son cépage. De plus, certains vins blancs sont sensibles à l'oxydation, et la fermentation malolactique peut augmenter ce risque en consommant de l'acide protecteur. --- ## Synthèse du chapitre - La biotechnologie moderne repose sur la manipulation de l'ADN à l'aide d'enzymes de restriction, de ligases et de vecteurs plasmidiaux pour produire des protéines thérapeutiques comme l'insuline humaine. - La production d'insuline recombinante implique l'utilisation d'ADNc pour éviter les introns, l'expression dans *E. coli* ou des levures, et une purification suivie d'un traitement enzymatique pour obtenir l'insuline active. - L'empreinte génétique (DNA fingerprinting) utilise l'analyse des répétitions en tandem courtes (STR) via PCR et électrophorèse pour obtenir un profil génétique unique, appliquée en médecine légale, en recherche de paternité et en identification de victimes. - La biotechnologie traditionnelle, basée sur la fermentation microbienne, est centrale dans la production du pain (CO₂ pour la levée), de la bière (éthanol et CO₂) et du vin (éthanol, avec possibilité de fermentation malolactique pour adoucir l'acidité). - Dans tous ces processus, la compréhension des voies métaboliques (glycolyse, fermentation alcoolique, voies de dégradation des acides) et de la spécificité enzymatique est essentielle pour optimiser le rendement et la qualité du produit final. ---