En 60 mots : La biologie synthétique consiste à concevoir des cultures au niveau génétique et métabolique pour qu'elles survivent à la sécheresse, à la salinité et à la chaleur extrême — des conditions qui se répandent rapidement dans les zones agricoles les plus vulnérables de la planète. Il ne s'agit pas d'OGM conventionnels. Ce sont des organismes redessinés architecturalement. La science est réelle, les enjeux sont énormes, et l'écart entre la promesse de laboratoire et le déploiement sur le terrain est plus large que la plupart des reportages ne l'admettent.
Le point de départ n'est pas un gène. C'est un nombre : 828 millions. C'est le nombre approximatif de personnes chroniquement sous-alimentées sur Terre au début des années 2020, selon les estimations de la FAO. La crise superposée est que près de 40 % de la surface terrestre de la planète est classée comme aride ou semi-aride, et cette fraction ne cesse de croître. D'ici le milieu du siècle, les projections climatiques suggèrent que les régions produisant actuellement des cultures de base — les ceintures de blé en Asie du Sud, les corridors de maïs en Afrique subsaharienne, les rizières du delta du Mékong — feront face à des déficits d'humidité du sol si graves que les programmes de sélection conventionnels ne pourront tout simplement pas itérer assez vite pour suivre le rythme.
C'est le problème réel que la biologie synthétique est appelée à résoudre. Pas de meilleures tomates. Pas de plantes luminescentes. La prévention de l'effondrement du système alimentaire.
Ce qu'est (et n'est pas) la biologie synthétique
Le terme est utilisé de manière si lâche qu'il en est devenu presque dénué de sens dans les médias populaires. La biologie synthétique n'est pas seulement CRISPR. Ce ne sont pas seulement des OGM avec une meilleure image. Le domaine se situe à l'intersection de la biologie moléculaire, de l'ingénierie des systèmes, de la modélisation computationnelle et – de plus en plus – de la conception de protéines guidée par l'apprentissage automatique.
Là où la modification génétique conventionnelle a tendance à déplacer des gènes isolés entre organismes, la biologie synthétique travaille sur les réseaux de régulation, les voies métaboliques, et parfois des circuits génétiques entièrement conçus de novo. La différence est énorme lorsque l'on tente de ré-ingénier quelque chose d'aussi complexe que la tolérance à la sécheresse, qui n'est pas un trait monogénique. C'est une propriété émergente de dizaines de systèmes en interaction : régulation stomatique, architecture racinaire, réponse au stress osmotique, gestion des espèces réactives de l'oxygène, efficacité de la fixation du carbone.
Un plant de riz qui ferme ses stomates plus rapidement en cas de stress hydrique n'a pas seulement besoin d'un seul gène édité. Il a besoin d'une cascade de protéines de signalisation qui fonctionnent de concert, se déclenchent dans la bonne séquence et ne créent pas de goulots d'étranglement métaboliques ailleurs. C'est un problème de systèmes. Et la sélection conventionnelle — même accélérée par CRISPR — ne peut pas concevoir des systèmes de manière fiable. Elle peut optimiser des composants.
Les véritables cibles d'ingénierie
Conversion de la voie photosynthétique
L'un des projets les plus ambitieux dans ce domaine implique la conversion de cultures C3 (comme le riz et le blé, qui sont métaboliquement inefficaces en cas de stress thermique) en photosynthétiseurs de type C4 ou CAM. Les plantes C4 — maïs, sorgho, canne à sucre — concentrent le CO₂ dans des cellules spécialisées avant de le traiter, ce qui réduit considérablement la perte d'eau et améliore la tolérance à la chaleur.
Le C4 Rice Project de l'International Rice Research Institute fonctionne depuis plus d'une décennie avec le financement de la Fondation Bill & Melinda Gates. Les progrès ont été plus lents que les premières projections ne le suggéraient. Selon les mises à jour de recherche accessibles au public, l'équipe a réussi à introduire des enzymes C4 dans le riz et a observé une certaine amélioration de l'efficacité photosynthétique, mais la photosynthèse C4 complète dans le riz n'a pas été obtenue en conditions de plein champ. Le recâblage des voies nécessite des changements anatomiques — une architecture cellulaire foliaire spécifique appelée anatomie de Kranz — qui ne peuvent être réalisés par un simple échange d'enzymes.
C'est là que l'écart entre le titre et la réalité devient inconfortable. Le projet C4 riz est une science véritablement importante. Mais les délais annoncés lors des premières annonces de financement du milieu des années 2010 ont été maintes fois repoussés. Les chercheurs impliqués ont décrit publiquement le défi comme étant "sous-estimé en complexité".
Architecture racinaire et consommation d'eau
Moins glamour mais sans doute plus réalisable à court terme : l'ingénierie du système racinaire. Une plante qui développe des réseaux racinaires plus profonds et plus ramifiés dans un sol sec peut accéder à l'humidité du sous-sol que les cultures à racines moins profondes ne peuvent atteindre. Les travaux de groupes de Penn State, du Harnessing Plants Initiative de l'Institut Salk, et de plusieurs centres de recherche agricole africains se sont concentrés sur la modification de l'angle des racines, la formation d'aérenchyme cortical racinaire et la densité des poils racinaires.
Le travail du Salk est intéressant car il combine le développement de racines profondes avec la séquestration du carbone — des racines plus profondes déposent plus de carbone récalcitrant plus profondément dans le sol. Mais ici encore, l'écart opérationnel apparaît : les essais sur le terrain dans des environnements semi-arides réels en Afrique de l'Est et en Asie du Sud sont limités, et la traduction des données de serre en performances sur le terrain a toujours été le point de friction le plus difficile pour la biotechnologie agricole.
Tolérance au stress osmotique et ionique
Le sol salin est un problème différent de la sécheresse, mais ils se chevauchent de plus en plus — à mesure que les nappes phréatiques baissent, les pratiques d'irrigation augmentent souvent les concentrations de sel dans le sol au fil du temps. L'ingénierie des cultures pour tolérer des niveaux élevés de sodium implique la surexpression d'antiporters vacuolaires (comme les voies SOS1 et NHX1), la production de solutés compatibles comme la glycine bétaïne et la modification des mécanismes d'exclusion des ions dans les membranes des cellules racinaires.
Une partie de ce travail est plus avancée. Le blé HB4, développé par Bioceres en Argentine, utilise un facteur de transcription de tournesol (HaHB4) pour conférer une tolérance à la sécheresse, et c'est l'une des rares cultures influencées par la biologie synthétique à avoir obtenu des approbations réglementaires dans plusieurs pays et à avoir atteint un déploiement commercial réel. Les premières données de terrain d'Argentine et du Brésil montrent des améliorations de la stabilité du rendement en conditions de sécheresse — bien que "l'amélioration" dans l'agriculture sous stress signifie souvent "une perte moins catastrophique" plutôt qu'"un rendement absolu plus élevé".
Le mur réglementaire et pourquoi c'est plus compliqué qu'il n'y paraît
Du laboratoire au champ n'est pas une ligne droite. C'est un labyrinthe bureaucratique et politique qui varie considérablement selon le pays, la culture et le climat politique.