L'Italie et Israël misent sur les microalgues génétiquement modifiées pour développer un vaccin contre la Covid comestible

L'Italie et Israël misent sur les microalgues génétiquement modifiées pour développer un vaccin contre la Covid comestible

Daniel Norero*

La ruée vers le développement d'un vaccin contre la Covid-19 s'est étendue à l'Italie et à Israël, où des scientifiques utilisent les outils du génie génétique pour mettre au point des vaccins comestibles à base d'algues contre la maladie causée par le nouveau coronavirus.

Comme je l'ai expliqué dans un précédent article sur les travaux en cours au Mexique pour mettre au point un vaccin contre la Covid-19 comestible administré par l'intermédiaire d'une tomate, les plantes présentent de nombreux avantages – principalement sanitaires, de stockage et de transport – par rapport aux méthodes classiques d'obtention de vaccins recombinants. Lors de la recherche bibliographique pour cet article, j'ai observé que les microalgues – un type de petites algues unicellulaires – sont un autre moyen d'obtenir des protéines recombinantes et des vaccins comestibles, avec des résultats notables jusqu'à présent.

Dans le cadre de cette approche, une série de développements expérimentaux ont déjà été réalisés dans le domaine des vaccins oraux contre des agents pathogènes tels que l'hépatite B, la malaria, le virus du papillome humain (HPV), la fièvre aphteuse, la peste porcine classique (PPC) et le Staphylococcus aureus, avec quelques essais précliniques réussis. La plupart de ces travaux utilisent Chlamydomonas reinhardtii, une petite algue unicellulaire et eucaryote, comme modèle pour la recherche et la production de médicaments et de vaccins en raison de sa gestion en laboratoire et de sa transformation génétique pratiques.

Dans ce contexte, il n'est pas surprenant de constater que non seulement des kits de détection, des sprays nasaux et des médicaments potentiels contre la Covid-19 sont mis au point avec des algues, mais deux groupes scientifiques travaillent également à la mise au point de vaccins comestibles à base d'algues contre le même virus. Avant d'entrer dans les détails des deux recherches, mon doute initial portait sur les différences techniques et de gestion que les algues pouvaient avoir par rapport aux cultures de plein champ ou en serre.

« Leur culture peut être effectuée sur des terres infertiles ou impropres à la culture, car elles sont capables d'utiliser les résidus comme source de nutriments et de les transformer en une grande quantité de molécules de haute qualité », a expliqué le biotechnologiste Daniel Garza, le scientifique mexicain qui dirige les recherches sur les vaccins à base de tomates contre la Covid, dans un échange de courriels. Garza a déjà développé un projet de biotechnologie environnementale pour la décontamination de l'air par les microalgues au Mexique, j'ai donc profité de son expertise avant de poursuivre mes recherches sur les vaccins à base d'algues.

« C'est aussi un processus durable, car pendant la culture, ils sont capables d'utiliser le carbone atmosphérique (CO2), de l'éliminer et de le transformer en biomasse de grande valeur », a ajouté M. Garza. « Elles présentent un avantage important en termes de coût, grâce à leur taux de croissance élevé et à leur faible coût de culture, ce qui les rend idéales pour exprimer de nouveaux vaccins et remplacer ceux qui sont chers. »

Les photobioréacteurs de l'Université de Vérone

Les premiers travaux de développement d'un vaccin à base d'algues viennent d'Italie, l'un des pays les plus durement touchés par la pandémie de Covid-19. Plus précisément, la recherche est menée par le laboratoire de photosynthèse et de bioénergie du département de biotechnologie de l'Université de Vérone, dirigé par les professeurs Roberto Bassi et Luca Dall'Osto.

Ce laboratoire travaille avec un large éventail d'organismes phototrophes, y compris des algues unicellulaires, des mousses et des plantes supérieures, et dispose également d'une solide ligne de génie génétique dans les plantes et les algues unicellulaires modèles pour exprimer des produits et des enzymes recombinants avec des applications industrielles et d'énergie renouvelable.

« La capacité de réaliser du génie génétique, en particulier sur l'algue unicellulaire de l'organisme modèle Chlamydomonas reinhardtii, a permis de contribuer au développement d'un vaccin oral contre la souche virale SARS-COV-2 récemment apparue, responsable de la pandémie actuelle qui menace la santé mondiale », a déclaré le Dr Edoardo Cutolo dans un entretien détaillé (complété par une bibliographie précieuse) avec l'Alliance pour la Science. Ce projet pionnier implique Cutolo et son collègue, le Dr Max Angstenberger, en plus du soutien du Dr Simone Barera.

L'algue Chlamydomonas reinhardtii sous le microscope. Image : Dr Cutolo.

L'équipe scientifique a appliqué deux approches différentes pour introduire une séquence d'ADN qui code un antigène dérivé du SARS-COV-2 dans le génome des microalgues. Rappelons que l'antigène, dans ce cas, est une protéine ou une portion de protéine qui produit une réponse immunitaire dans notre corps, générant finalement des anticorps contre le virus. La séquence d'ADN insérée correspond à une partie du domaine de liaison au récepteur (RBD – Receptor Binding Domain) de la protéine spiculaire du célèbre virus, nécessaire pour se lier au récepteur ACE2 et ainsi entrer dans les cellules hôtes et les infecter.

« Nous utilisons à la fois la transgénèse nucléaire conventionnelle et la transformation du chloroplaste. Dans le second cas, nous visons à intégrer le transgène à l'intérieur du génome polyploïde semi-autonome de l'organite photosynthétique », a déclaré M. Cutolo. « Dans le cas de Chlamydomonas reinhardtii, le chloroplaste représente le plus grand compartiment cellulaire, et comme il est constitué de copies multiples d'un chromosome circulaire, il conduit à l'accumulation de niveaux plus élevés de protéines recombinantes par rapport à la transgénèse dans le noyau. »

Les deux méthodes présentent des avantages et des inconvénients. D'une part, le chloroplaste permet non seulement une plus grande accumulation de l'antigène nécessaire à un vaccin en raison de sa grande taille dans les microalgues, mais il facilite également une intégration plus stable du transgène, évitant les problèmes d'intégration aléatoire qui sont plus fréquents lorsque le noyau est génétiquement modifié. Mais d'autre part, le noyau de la cellule possède un mécanisme qui permet des modifications ultérieures, comme la glycosylation, de la nouvelle protéine (ou antigène), lui donnant la fonctionnalité nécessaire pour générer une immunisation adéquate.

« Il est à noter que dans ce projet, nous utilisons des méthodes de sélection qui ne reposent pas sur des gènes de résistance aux antibiotiques », a déclaré M. Cutolo en référence à un risque supposé largement cité par les critiques de cette technologie. « Mais nous exploitons la flexibilité métabolique de cet organisme et une nouvelle stratégie de marqueurs sélectionnables basée sur le métabolisme sélectif d'un nutriment essentiel pour produire des algues qui répondent à la fois aux préoccupations sanitaires et environnementales. »

L'un des grands avantages des algues est qu'elles se développent et se multiplient plutôt rapidement. Selon M. Cutolo, si la contamination est évitée, il est possible d'accumuler jusqu'à 1 milligramme d'antigène recombinant pour chaque gramme de biomasse d'algues séchées. Par la suite, les algues déshydratées/lyophilisées peuvent être encapsulées pour générer un « vaccin oral ».

De gauche à droite : Dr Simone Barera, Dr Edoardo Cutolo, Prof. Roberto Bassi et Dr Max Angstenberger. Photo : Dr Cutolo.

« La paroi cellulaire des algues sèches protège les antigènes de l'environnement gastrique acide et riche en protéases, permettant à la molécule bioactive d'atteindre le système immunitaire intestinal où elle peut stimuler les réponses cellulaires et humorales, ce qui, espérons-le, conduira à une immunisation efficace », a expliqué le Dr Cutolo.

Quand pourraient-ils disposer d'un vaccin oral prêt à être testé sur des animaux ? Très bientôt, selon M. Cutolo : « Six semaines est un délai probable. »

Technologie israélienne : des animaux et poissons au Covid-19

Pendant ce temps, de l'autre côté de la Méditerranée, TransAlgae, une entreprise de biotechnologie basée à Rehovot, en Israël, s'est imposée en un peu plus de dix ans comme une plate-forme de développement de vaccins oraux pour animaux, le secteur de l'aquaculture et la lutte contre les parasites dans l'agriculture. Il y a quelques mois, la société s'est lancée dans l'application de cette technologie à un vaccin contre la Covid-19. Pour y parvenir, elle a ouvert un cycle d'investissement de 5 millions de dollars US pour soutenir le développement d'un vaccin oral à base d'algues génétiquement modifiées, selon Eyal Ronen, vice-président du développement commercial de la société.

Interrogée sur les détails techniques, réglementaires et les obstacles à ce nouveau vaccin oral, la société a préféré ne pas répondre ou n'a fourni que de brèves réponses aux questions, invoquant le besoin de confidentialité.

Toutefois, une publication informative du président de la société, Daniel Gressel, permet de déduire une stratégie similaire à celle des scientifiques italiens. Par exemple, ils utiliseraient également la séquence d'ADN d'une partie de la protéine spiculaire du SARS-COV-2 comme transgène à insérer dans des algues ; et selon divers brevets antérieurs de la société pour des vaccins pour animaux et poissons, il est très probable qu'ils utilisent le même modèle d'algue C. reinhardtii pour la modification génétique et qu'ils accumulent de grandes quantités de l'antigène – des algues modifiées qui seraient lyophilisées pour générer une capsule orale.

Algues cultivées dans des fermenteurs TransAlgae à Rehovot. Image : TransAlgae

Ronen affirme que les algues sont génétiquement modifiées pour se développer dans un fermenteur. « Cela multiplie par 30 le taux de production par rapport aux algues sauvages. Et nous pouvons contrôler tous les intrants de manière précise pour une meilleure cohérence », a-t-il ajouté.

Avec cette vitesse élevée, ils calculent qu'ils commenceront les essais sur les animaux dans quelques mois ; en outre, ils chercheraient à établir des collaborations et des partenariats avec des entreprises aux États-Unis pour faire avancer le développement du vaccin.

Avantages et défis des vaccins comestibles à base d'algues

En général, les microalgues présentent tous les avantages de la production de vaccins dans les plantes terrestres, avec quelques avantages supplémentaires.

« Les microalgues se développent dans des milieux de culture très simples, ne nécessitent pas d'infrastructures complexes et leur culture n'entre pas en concurrence avec les cultures destinées aux terres arables », a déclaré M. Cutolo. Un autre détail important à souligner est que les microalgues sont beaucoup plus efficaces que les plantes supérieures pour convertir la lumière du soleil en biomasse.

Comme dans les plantes, l'antigène recombinant obtenu à partir de la biomasse d'algues collectée ne nécessite pas de purification ou d'extraction, car il peut se dessécher et la paroi cellulaire des algues protège les antigènes avec une longue durée de vie utile allant jusqu'à 20 mois – sans perte d'efficacité – à température ambiante. C'est très pratique pour les pays en développement, qui ont souvent des problèmes de chaîne du froid lors du stockage/transport des vaccins classiques.

Le principal avantage est peut-être la vitesse de multiplication rapide des microalgues, qui facilite le travail des chercheurs. « D'un point de vue purement technique, les algues sont préférables puisque le développement d'une nouvelle souche d'algue nécessite environ un mois, alors que la production d'une plante génétiquement modifiée peut prendre jusqu'à un an », a déclaré M. Cutolo.

M. Gressel de TransAlgae a également souligné la vitesse de reproduction comme un avantage évident dans l'une des rares réponses qu'il m'a données par courriel. « Les algues doublent chaque jour... si vous commencez avec 1 gramme, en 32 jours vous avez 8,8 milliards de grammes, ce qui dans le cas des coronavirus est suffisant pour le monde », a déclaré M. Gressel.

Photobioréacteur pour la culture des algues dans le laboratoire italien. Photo avec l'aimable autorisation du Dr Cutolo.

Cependant, les difficultés ne sont pas absentes avec cette approche. Selon M. Cutolo, un inconvénient majeur de la culture des algues réside dans le risque omniprésent de contamination de la culture par des parasites en surnombre, qui se produit à la fois dans les photobioréacteurs fermés et les systèmes ouverts à haute vitesse.

« Ce problème rend la biotechnologie des algues peu rentable en raison des coûts de gestion élevés pour l'éviter », a déclaré M. Cutolo. « Cependant, nous employons une technologie durable récemment introduite qui permet la gestion de la monoculture ciblée d'algues dans des conditions non stériles, ce qui rend ce système de production très attractif. »

En ce qui concerne les risques évités par un confinement biologique, d'après l'expérience de M. Cutolo, ceux-ci ne seraient pas un problème. « La plupart des souches d'algues naturelles (de type sauvage) utilisées pour le génie génétique manquent des gènes essentiels nécessaires à l'assimilation de l'azote (nitrate réductase), ce qui les rend strictement dépendantes de la source d'azote fournie dans le milieu de culture, rendant ainsi leur survie dans la nature impossible », a-t-il déclaré.

« Il n'y a pas de problème de confinement car les algues manquent de nitrate réductase et meurent donc en dehors du photobioréacteur. »

Que nous réserve l'avenir ?

Avant d'entrer sur le marché, le vaccin oral à base d'algues se heurterait à des obstacles réglementaires similaires à ceux dont j'ai parlé dans mon précédent article sur le vaccin à base de tomates. Transalgae n'avait pas de problèmes auparavant lorsqu'elle travaillait avec des vaccins oraux utilisant des microalgues génétiquement modifiées pour le secteur de l'aquaculture, car le produit final était une poudre d'algues « désactivées » (matière morte). De ce fait, le matériel est considéré comme dérivé d'OGM, et non comme un OGM, une distinction qui a permis à la société d'opérer avec succès sur des marchés où la réglementation sur les OGM est stricte.

En attendant, ni les scientifiques de Vérone ni ceux de Revohot ne se reposent sur leurs lauriers. Si TransAlgae réussit à mettre au point un vaccin comestible contre la Covid-19, la prochaine étape prévue sera de produire un vaccin oral contre la grippe zn produisant rapidement des antigènes contre une grande variété de souches de l'agent pathogène. Les scientifiques italiens travaillent en parallèle avec l'édition génétique, un outil qui leur permettrait d'introduire des modifications supplémentaires dans le génome nucléaire de l'algue, ce qui pourrait améliorer la productivité de sa biomasse.

« Étant donné l'urgence dictée par la situation actuelle, mais aussi en raison de la possibilité très probable que des pandémies similaires frappent notre société mondiale à l'avenir, il est d'une importance capitale de développer des technologies permettant une production rapide de vaccins et de produits biopharmaceutiques sûrs et faciles à administrer, en particulier dans les régions qui ont un accès limité aux infrastructures médicales », a conclu M. Cutolo.

Il ne fait aucun doute que la polyvalence des manipulations génétiques, la vitesse de reproduction et les ressources minimales nécessaires à la croissance des algues en font une alternative viable et durable et un candidat pour les solutions médicales et environnementales dont le monde entier a un besoin urgent.

Références recommandées

• Specht, E. A., & Mayfield, S. P. (2014). Algae-based oral recombinant vaccines. Frontiers in microbiology, 5, 60. https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00060

• Benedetti, M., Vecchi, V., Barera, S., & Dall’Osto, L. (2018). Biomass from microalgae: the potential of domestication towards sustainable biofactories. Microbial Cell Factories, 17(1), 173. doi:10.1186/s12934-018-1019-3

• Yefremova, Y., & Purton, S. (2018). The algal chloroplast as a synthetic biology platform for production of therapeutic proteins. Microbiology, 164. doi:10.1099/mic.0.000599

• Gunasekaran, B., & Gothandam, K.M.. (2020). A review on edible vaccines and their prospects. Brazilian Journal of Medical and Biological Research, 53(2), e8749

• Kurup, V. M., & Thomas, J. (2020). Edible Vaccines: Promises and Challenges. Molecular biotechnology, 62(2), 79–90.

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* Source : https://allianceforscience.cornell.edu/blog/2020/06/italy-and-israel-bet-on-gm-microalgae-to-develop-edible-covid-vaccine/