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Protéines dans l'environnement
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Objet d'étude : bacillus thuringiensis, invertébré, prion
Composé chimique, Facteur du milieu : protéine insecticide
Phénomène, processus et fonction : encéphalopathie spongiforme transmissible, structure des protéines, tremblante
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Objet d'étude : bacillus thuringiensis, invertébré, prion
Composé chimique, Facteur du milieu : protéine insecticide
Phénomène, processus et fonction : encéphalopathie spongiforme transmissible, structure des protéines, tremblante
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- Description détaillée :
Que ce soit pour les prions ou les toxines insecticides, les étapes de l'étude expérimentale de Afficher la suite
Que ce soit pour les prions ou les toxines insecticides, les étapes de l'étude expérimentale de leur impact environnemental sont à peu près similaires du fait de leur nature protéique commune et de leur effet pathogène vis-à-vis de populations animales.
(i) Détection des protéines pathogènes dans les sols.
(ii) Mécanismes d'adsorption des protéines pathogènes sur les surfaces minérales du sol.
(iii) Mécanismes d'interaction et d'inclusion des protéines pathogènes avec la matière organique du sol.
(iv) Dégradabilité des protéines pathogènes par les protéases des microorganismes et de l'appareil digestif des invertébrés du sol.
(v) Dispersion des protéines pathogènes dans le sol par les facteurs abiotiques et biotiques.
(vi) Transfert des protéines pathogènes vers les eaux souterraines ou de surface.
(vii) Modélisation de l'impact environnemental des protéines pathogènes dans les sols et les eaux en fonction de cibles animales spécifiées.
Les risques sanitaires liés à la pollution des sols par des entités chimiques méritent d'être réévalués par la prise en compte de nouvelles classes de molécules. En effet, si (i) les petites molécules xénobiotiques (pesticides agricoles ou contaminants organiques issus des industries chimiques), (ii) les éléments traces métalliques, ou (iii) les fertilisants (N ou P) en excès sont des nuisances reconnues et ayant bénéficié d'un effort soutenu de recherche sur leur impact environnemental, ce n'est pas le cas des protéines à caractère pathogène. Celles-ci représentent une thématique émergente par le caractère très récent de leur apparition. On peut symboliquement dater en 1996 cette apparition du problème des protéines pathogènes à impact environnemental dans le débat public, cette année ayant vu l'annonce du franchissement de la barrière d'espèce du prion du bovin à l'homme avec le nouveau variant de la maladie de Creutzfeldt-Jakob au Royaume-Uni et les premières récoltes commerciales de plantes transgéniques Bt aux Etats-Unis.

Concernant les prions, il existe un risque de transmission horizontale naturelle par le sol dans les pâturages fréquentés par des troupeaux infectés. Une étude américaine de 1991 a montré que l'agent infectieux de la tremblante ovine pouvait se maintenir au moins 3 ans dans le sol.

Concernant les toxines insecticides des plantes transgéniques, le risque principal est, soit un effet nocif sur des invertébrés du sol jouant un rôle favorable dans l'écologie des sols, soit une apparition de phénomènes de résistance vis-à-vis d'invertébrés phytopathogènes due à la pression de sélection engendrée par l'accumulation de ces protéines dans le sol.

Parmi les difficultés d'analyse de ce nouveau type de risque, il y a la complexité des mécanismes d'interaction des protéines dans les sols, en particulier les phénomènes de modification d'entropie conformationnelle qui sont à la fois un facteur agissant sur leur affinité envers les surfaces du sol (donc sur leur transfert) et un facteur agissant sur leur structure (donc sur leurs propriétés fonctionnelles). Il n'existe qu'un nombre limité d'approches expérimentales susceptibles de suivre les changements d'état structural d'une protéine à l'état adsorbé sur une surface solide par rapport à celles disponibles pour les protéines en solution ou cristallisées.
Le programme d'étude du devenir des prion dans le sol a commencé en 2003, avec le contrat européen TSE-SOIL-FATE qui réunit 15 équipes européennes de 5 pays (France, Royaume-Uni, Italie, Allemagne, Russie) pour un projet sur 3 ans. Ce contrat est coordonné par notre UMR.
Le programme d'étude de la protéine Bt dans les sols a été lancé en 2005 au sein de notre UMR. Son extension vers un consortium de partenaires français et européens est en cours et fait l'objet d'une recherche de financement.
Pour ce qui concerne les EST, deux raisons principales amènent à se poser la question du devenir des prions dans les sols.
La première est la gravité de l'épidémie d'ESB qui a touché le Royaume-Uni, puis d'autres pays de l'Union Européenne, dont la France. Le Canada et les Etats-Unis ont également été touchés avec des conséquences économiques pour leurs marchés d'exportation sans commune mesure avec le nombre de cas détectés. L'interdiction de l'usage des farines animales dans l'alimentation des ruminants dans l'Union Européenne a été décrétée. Avant d'être incinérées, ces farines sont stockées, sans que l'on puisse exclure que des animaux en incubation y aient été incorporés. Même si ce n'est plus le cas, dans le passé certains sites de stockage étaient à l'air libre, sans aucune protection contre les intempéries. Pour ces raisons, ainsi qu'en cas d'événements accidentels dans les sites de stockages, le risque de dispersion par le ruissellement et par le vent de prions infectieux dans les sols et les eaux doit être considéré. La masse de farines animales à traiter annuellement depuis la décision d'interdiction aggrave ces risques puisque les sites de stockage sont actuellement à la limite de saturation.
La seconde justification de ce programme d'étude est le risque de transmission horizontale naturelle par le sol dans les pâturages fréquentés par des troupeaux infectés. Certes, aucun élément ne permet de soupçonner actuellement ce mode de transmission pour l'ESB, mais il en va autrement pour la tremblante du mouton pour laquelle ce mode de transmission ne peut être écarté. L'hypothèse d'un passage du prion caractéristique de l'ESB de la vache au mouton étant ouvertement formulée, on ne peut exclure la possibilité de rémanence par cette voie de l'agent de l'ESB dans l'environnement

Pour ce qui concerne les toxines insecticides protéiques des plantes transgéniques, il faut constater que malgré la réticence européenne à l'introduction des plantes transgéniques, leur culture augmente rapidement à l'échelle mondiale. En 2003, 67,7 M ha ont été plantés en plantes transgéniques. Les six pays leaders de la production de récoltes génétiquement modifiées comptabilisent 99% de la surface mondiale occupée par ces plantes, mais en terme de croissance la surface occupée dans les pays en voie de développement est de loin la plus importante. Dans le monde environ 15% de la surface agricole dédiée à la production commerciale des OGM concerne des plantes transformées pour conférer des propriétés insecticides utilisant des gènes de la bactérie Bacillus thuringiensis, dont un tiers sont aussi résistantes aux herbicides.
Au moins en Europe, les enjeux socio-économiques se scindent clairement entre enjeux économiques et acceptation sociologique poussant en sens contraire. Il est donc nécessaire d'approfondir l'analyse des risques. Dans le cadre de l'activité 1437, cela consistera à étudier la rémanence dans le sol de l'activité insecticide des toxines libérées au cours du cycle cultural des plantes transgéniques, leur effet sur des populations d'invertébrés non cibles et l'effet de leur accumulation dans le sol sur l'apparition de phénomènes de résistance dans des populations d'invertébrés à caractère pathogène.
Les laboratoires partenaires dans cette activité sont :

Pour l'INRA : l'UR Virologie et Immunologie Moléculaires (Jouy-en-Josas) et l'UR Bioagresseurs, Santé et Environnement (Nouzilly).

Pour le CNRS : le Laboratoire de Dynamique, Interactions et Réactivité (Thiais), l'Institut Européen des Membranes (Montpellier) et le Laboratoire des Matériaux Polymères et Biomatériaux (Villeurbanne).

Pour l'Université Lyon-1 : le Laboratoire d'Ecologie Microbienne (Villeurbanne).

Pour l'AFSSA, l'Unité Risques Biologiques (Maisons-Alfort).

Pour l'IRCGN (Institut de Recherche Criminelle de la Gendarmerie Nationale) : le Département d'Entomologie (Rosny-sous-Bois).

Pour le Royaume-Uni : la Neuropathogenesis Unit de l'Institute of Animal Health (Edinburgh), le Department of Environmental Science and Technology d'Imperial College of Science, Technology and Medicine (Londres) et la Division of Agricultural and Environmental Sciences de l'Université de Nottingham.

Pour l'Italie : le Dipartimiento di Scienze del Suelo, della Pianta e dell'Ambiente de l'Université de Naples et l'Istituto per lo Studio degli Ecosistemi du Consiglio Nazionale delle Ricerche (Florence).

Pour l'Allemagne : le Department of Environmental Microbiology de la Gesellschaft für Biotechnologische Forschung (Braunschweig).

Pour la Russie : le Department of Soil Biology de l'Université d'Etat de Moscou.
Les objectifs sont : (i) la mise au point de méthodes de suivi des protéines pathogènes dans le sol, ainsi que de leur infectiosité (prion) ou leur toxicité (protéine Bt), (ii) l'étude de la rémanence des fonctions pathogènes dans le sol, (iii) l'étude du transfert des protéines pathogènes dans le sol et (iv) la modélisation de l'impact environnemental de ces protéines pathogènes.

Les méthodes de détection concernent à la fois (i) le suivi de la protéine en tant qu'entité moléculaire (par des méthodes immunochimiques ou par marquage isotopique) et (ii) le suivi de l'aspect fonctionnel qu'est l'infectiosité ou la toxicité de ces protéines par des tests biologiques adaptés aux conditions du sol.

L'étude de la rémanence intègre à la fois (i) les aspects abiotiques que sont les processus d'adsorption sur les constituants du sol qui peuvent induire des changements de conformation de la protéine affectant son caractère pathogène et (ii) les aspects biotiques représentés par l'activité protéolytique des microorganismes du sol qui peuvent hydrolyser ces protéines.

L'étude des transferts vient compléter par son aspect spatial les études temporelles sur la rémanence. Les points à prendre en compte sont (i) le degré d'irréversibilité de l'adsorption en fonctions de facteurs tels que les changements de pH et de force ionique de la solution, ou la compétition d'adsorption avec d'autres macromolécules organiques, (ii) la géométrie par rapport au sol du site d'entrée des protéines pathogènes (déjections animales ou placentas en surface du sol, litière végétale, rhizosphère, cadavres animaux enfouis illégalement), et (iii) la prise en compte, à coté des phénomènes physiques de diffusion-convection, de l'activité biologique disséminatrice des invertébrés géophages (vers de terre).

La modélisation devra s'appuyer sur les résultats précédents pour être (i) d'abord conceptuelle, (ii) puis déboucher sur une modélisation mathématique, (iii) dont la finalité sera une estimation des risque environnementaux.
Un premier ensemble cohérent de résultats sur le devenir des prions dans le sol résulte des travaux coordonnés de l'UMR Rhizosphère et Symbiose (INRA, Montpellier), de l'UR Virologie et Immunologie Moléculaire (INRA, Jouy-en-Josas), du Laboratoire Dynamique, Interactions et Réactivité (CNRS, Thiais) et de l'Institut Européen des Membranes (CNRS, Montpellier) dans le cadre des deux premières années du Contrat Européen TSE-SOIL-FATE :

(i) Les argiles du sol ont un fort pouvoir d'adsorption vis-à-vis des prions (jusqu'à 2 g de prion par g pour la montmorillonite), elles sont donc un facteur d'immobilisation des prions.
(ii) L'adsorption sur les argiles se fait uniquement par monocouche, ce qui permet d'accéder à des paramètres moléculaires tels que leur aire spécifique interfaciale en fonction des paramètres de la solution du sol (pH, force ionique).
(iii) L'adsorption sur les argiles est irréversible si les conditions physico-chimiques de la solution du sol sont stables, ce qui oriente les risques vers l'ingestion de particules de sol par les ruminants ou le transfert facilité par les colloïdes vers les nappes phréatiques ou par érosion vers les cours d'eau.
(iv)) La désorption ne peut être obtenue sur une surface modèle comme le mica qu'en conditions très alcalines et en présence de détergents, conditions non rencontrées normalement dans les sols.
(v) La partie N-terminale du prion, porteuse d'une forte charge électropositive, est principalement impliquée dans l'interaction avec les argiles, ce qui peut poser problème puisque la partie C-terminale, porteuse de l'infectiosité, pourrait être libérée plus facilement par l'activité protéolytique des microorganismes du sol.
(vi) L'adsorption sur les argiles se traduit par un changement de conformation vers l'enrichissement en structures secondaires bêta, mais néanmoins la signature spectroscopique est différente de la forme infectieuse du prion.
(vii) Une méthode d'électro-élution couplée à un test ELISA a été élaboré sur la base des résultats précédents et permet un dosage très sensible du prion dans des échantillons de sols naturels.
Les protéines relâchées dans le sol par les organismes vivants ont été jusqu'à récemment étudiées sous un angle fonctionnel principalement centré sur les cycles biogéochimiques. Il s'agissait (i) d'estimer la contribution des protéines libérées dans le sol au cycle de N durant le processus d'ammonification et (ii) d'étudier comment une classe particulière de protéines, les enzymes extracellulaires sécrétées par les plantes, et surtout les microorganismes, pouvaient accélérer par leur action hydrolytique les cycles de C, N, P et S.

L'activité 1437 a un tout autre objectif. Il s'agit d'étudier les classes de protéines ayant un impact environnemental dû à un caractère pathogène pour les populations animales (des invertébrés aux mammifères, animaux d'élevage et homme compris). Deux types de protéines sont particulièrement visées : (i) les protéines prions qui jouent un rôle primordial en tant qu'agent infectieux des Encéphalopathies Spongiformes Transmissibles (EST), telles que l'encéphalopathie spongiforme bovine (maladie de la vache folle) et la tremblante des ovins et caprins, et enfin (ii) les toxines insecticides protéiques synthétisées par certaines plantes transgéniques, la plus connue étant la protéine Bt, isolée de la bactérie Bacillus thuringiensis.
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