Des scientifiques pourraient avoir trouvé une solution radicale pour rendre votre hamburger moins nocif pour la planète

Sushi, un veau Holstein de quatre semaines, est allongé dans un enclos sous le bourdonnement d’un ventilateur métallique lorsque des professeurs et des étudiants arrivent pour prélever des échantillons de son estomac. Le bovin mâle accueille les chercheurs en mordillant doucement leurs vêtements, puis s’affale paresseusement sur un lit de coques de riz. Pendant qu’il somnole, de minuscules organismes s’affairent au fond de son estomac à quatre compartiments. Des champignons, des bactéries et d’autres créatures microscopiques décomposent son alimentation en énergie et autres substances chimiques, déclenchant un processus ancien qui, aujourd’hui, réchauffe la Terre davantage que tous les vols d’avions du monde additionnés.

Sushi est le point de départ d’une étude d’ingénierie génétique menée en Californie. Celle-ci vise à modifier la composition de son estomac. Les scientifiques cherchent un moyen de transformer l’intestin du bovin afin qu’il cesse de libérer du méthane. Le veau de 57 kilos participe au premier volet d’une expérience de plusieurs années, dotée d’un budget de 30 millions de dollars, et menée par des chercheurs de l’université de Californie à Davis et de l’Institut d’innovation génomique. Leur objectif est de modifier les mécanismes internes de l’estomac des vaches. Les bovins produisent d’énormes quantités de méthane, un puissant gaz à effet de serre responsable de 30 % du réchauffement climatique. A l’aide d’outils qui coupent et transfèrent de l’ADN, les chercheurs prévoient de concevoir génétiquement des microbes dans l’estomac des vaches pour éliminer ces émissions. S’ils réussissent, ils pourraient supprimer une des plus importantes sources de méthane au monde et contribuer à changer la trajectoire du réchauffement planétaire.

Sorte de pilule probiotique

«C’est une idée totalement hors norme, reconnaît Ermias Kebreab, professeur en sciences animales à l’Université de Californie, à Davis. Personne ne l’a jamais fait auparavant.» Le système digestif du 1,5 milliard de bovins de la planète n’est rien moins qu’un miracle biologique : grâce à un riche microbiome présent dans la plus grande chambre de leur estomac, appelée panse ou rumen, il peut décomposer de l’herbe, du maïs, de la luzerne et même des coques d’amande, l’enveloppe du maïs ou de la sciure de bois pour les transformer en énergie. «C’est incroyable, décrit Spencer Diamond, de l’Institut de génomique. Cela fonctionne de façon étonnante et ne faillit jamais.»

Cependant, le rumen a un côté sombre. Cette chambre poreuse et charnue abrite des organismes unicellulaires appelés archées, qui décomposent l’hydrogène et le dioxyde de carbone pour produire du méthane. Incapables de traiter ce gaz, les vaches l’évacuent sous forme de rots. En moyenne, une vache produit environ 100 kg de méthane par an, soit environ la moitié des émissions d’une voiture moyenne. Selon l’Organisation des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture (FAO), les vaches sont actuellement responsables d’environ 4 % du réchauffement climatique mondial.

Des solutions partielles abondent. Des entreprises comme Impossible Foods et Beyond Meat ont développé des produits de bœuf à base de plantes qui ressemblent à de la vraie viande, sentent comme elle et en ont le goût. Les écologistes ont encouragé les consommateurs à réduire leur consommation de bœuf et à privilégier le poulet et le poisson, qui génèrent moins d’émissions. Cependant, à mesure que des pays s’enrichissent, la production de bœuf continue d’augmenter (la hausse a été de 13 % à l’échelle mondiale au cours des quinze dernières années).

Ajouter des algues, de l’origan ou de l’ail dans l’alimentation des vaches peut réduire les émissions de méthane, parfois jusqu’à 80 %. Mais seulement environ 1 vache sur 10 aux Etats-Unis – principalement celles qui produisent du lait – est nourrie quotidiennement par des humains. Le ratio est similaire au niveau mondial. Le reste, principalement des bovins de boucherie, erre librement dans les pâturages, se nourrissant d’herbe et de fourrage. Amener plus d’un milliard de bovins en liberté à consommer des algues ou de l’ail est logistiquement presque impossible.

Les scientifiques envisagent une sorte de pilule probiotique, administrée à la vache à la naissance, capable de transformer son microbiome de manière permanente. A l’aide d’outils d’édition génétique, les chercheurs ont déjà élevé des bovins sans cornes ou dotés de pelages spécifiques qui les aident à rester au frais face à l’augmentation des températures. Le projet actuel ne cible pas seulement une espèce de vache en particulier ; il vise directement le microbiome, proposant une solution applicable à toutes les vaches.

Brad Ringeisen, directeur exécutif de l’Institut de génomique, a fait ses armes en dirigeant les biotechnologies à l’Agence du département de la défense des Etats-Unis (Darpa), qui a contribué à des innovations révolutionnaires comme Internet, le GPS miniaturisé, les avions furtifs et la souris d’ordinateur. «J’applique ici la mentalité Darpa, explique-t-il. Résolvons le problème pour toutes les vaches, pas seulement pour une fraction d’entre elles.».

«Le monde microbien est un désert brutal»

A la ferme laitière de Davis, deux étudiants en master et un postdoctorant introduisent un long tube métallique sur une longueur d’un mètre dans l’estomac du veau Sushi et y connectent une pompe. Ce qui en ressort ressemble à un liquide fin de couleur avoine – un échantillon du rumen de Sushi, rempli de microbes et de nourriture partiellement digérée. Le veau a l’air surpris, mais ne semble pas souffrir d’inconfort – c’est l’une des méthodes les moins invasives pour examiner le rumen d’une vache, une alternative consistant à entrer par le flanc de l’animal.

Paulo de Méo Filho, un postdoctorant à l’accent brésilien, utilise une pipette aussi longue que son bras pour transférer soigneusement des échantillons de rumen dans de petites fioles. Ensuite, enveloppé dans un léger nuage de brume, il plonge les fioles dans un récipient de la taille d’un seau rempli d’azote liquide pour les conserver en vue d’une analyse ADN.

Depuis quatre semaines, Sushi est nourrie avec quelques grammes d’huile distillée à partir d’algues rouges, l’une des méthodes les plus éprouvées pour réduire la production de méthane dans les estomacs des vaches. Les scientifiques cherchent maintenant à comprendre précisément comment cette huile transforme le microbiome intestinal de Sushi. Ensuite, ils entendent reproduire ces changements à l’aide de l’édition génétique. Bien que l’humanité dépende fortement des vaches – elles produisent environ 76 millions de tonnes de viande de bœuf et 930 millions de tonnes de lait par an –, le fonctionnement interne de la plus grande chambre stomacale de la vache reste largement mystérieux. Durant des millions d’années, son microbiome a évolué pour aider l’animal à transformer sa nourriture en énergie. C’est une soupe de minuscules organismes, tous en compétition pour des ressources limitées, invisibles à l’œil nu.

«Le monde microbien est un désert brutal, digne de Mad Max, constate Spencer Diamond, l’un des chercheurs en génétique. Les microbes passent leur temps à s’entretuer.» Ce ne sera pas facile à changer. Le système est complexe, et les scientifiques ont rarement réussi à transformer les microbiomes des ruminants comme les vaches, les moutons et les chèvres.

Accumulation d’hydrogène

Lorsque les vaches mangent, elles mastiquent leur nourriture, la mélangeant avec de la salive, puis l’avalent – une vache peut produire jusqu’à 150 litres de salive par jour, en fonction de son régime alimentaire. Une partie de cette nourriture est ensuite décomposée davantage grâce à la rumination : la vache régurgite une partie de sa nourriture, la remâche pour la broyer davantage, puis l’avale à nouveau.

Toute cette nourriture partiellement mastiquée finit dans le rumen. Contrairement à l’estomac humain, qui utilise de l’acide pour décomposer les aliments, ce sont les microbes qui font tout le travail dans le rumen de la vache. Ils permettent la fermentation des aliments, un peu comme un brasseur fabrique de la bière. Les bactéries décomposent les sucres en acides gras, qui fournissent de l’énergie à la vache, ainsi que deux sous-produits : l’hydrogène (H₂) et le dioxyde de carbone (CO₂). Les archées consomment le H₂ et le CO₂ pour les combiner en méthane (CH₄).

La vache expulse le méthane en éructant, libérant ce gaz dans l’atmosphère, où il contribue au réchauffement climatique et favorise les vagues de chaleur, les inondations et les tempêtes puissantes. Mais les scientifiques soulignent que cela n’a pas à être ainsi. Rien dans la nature des bovins n’exige qu’ils émettent des gaz qui réchauffent la planète ; cela résulte simplement de l’accumulation d’hydrogène et des microbes qui ont évolué pour consommer ce gaz volatil. «Rien n’oblige une vache à produire du méthane», soupire Brad Ringeisen. Et si les scientifiques pouvaient simplement… l’éteindre ?

Chanson country générée par une IA

A environ une heure de l’enclos de Sushi, Spencer Diamond et ses collègues utilisent ces fioles congelées de nourriture à moitié digérée pour cartographier l’intérieur de l’estomac du veau. L‘institut d’innovation génomique occupe un bâtiment en verre à étages, situé dans le centre-ville de Berkeley, en Californie, juste en face du campus principal. Il a été cofondé par Jennifer Doudna, la chimiste [co ndt] lauréate du prix Nobel qui a contribué à la découverte de l’édition génétique CRISPR. Cet acronyme [de l’anglais clustered interspaced short palindromic repeats répétitions palindromiques courtes groupées et espacées] est un ensemble de séquences d’ADN trouvées dans les bactéries et les archées. Lorsqu’il est associé à une enzyme appelée Cas9, CRISPR peut être utilisé comme une paire de ciseaux guidée : coupant et remplaçant des segments d’ADN par de nouveaux fragments.

Dans l’un des laboratoires, Brady Cress, responsable de l’édition du microbiome à l’Institut, écoute une chanson country générée par une IA sur la transformation du microbiome des vaches. Le refrain de la chanson, diffusé par les haut-parleurs de son téléphone, répète en boucle : «Cow rumen, stop fumin’» («Rumen des vaches, arrête de fumer»).

Depuis que Jennifer Doudna et la scientifique française Emmanuelle Charpentier ont découvert Crispr-Cas9 en 2012, cette technologie ou ses variantes ont été utilisées pour créer des lapins fluorescents, des grains de café sans caféine, et même les embryons de deux jumelles pour les rendre soi-disant immunisées contre le VIH – le chercheur chinois responsable de cette dernière expérience a été emprisonné pour avoir utilisé illégalement Crispr sur des humains.

Aujourd’hui, les scientifiques de l’Institut tentent d’utiliser les outils d’édition génétique pour résoudre des problèmes sociétaux. On parle beaucoup de la manière dont Crispr pourrait aider à guérir la drépanocytose, le cancer ou le VIH. Mais certains chercheurs pensent que l’application la plus puissante de cet outil pourrait concerner le méthane. Le méthane, un puissant gaz à effet de serre, reste dans l’atmosphère pendant sept à douze ans, tandis que le dioxyde de carbone peut persister pendant des centaines d’années. Réduire ces émissions, provenant du bétail, du pétrole et du gaz, et des changements dans l’utilisation des sols, pourrait également ralentir considérablement le niveau du réchauffement climatique.

«Personnellement, je pense que c’est celui qui peut avoir le plus grand impact sur le monde, déclare Brad Ringeisen. Imaginez que vous puissiez agiter une baguette magique et éliminer toutes ces émissions.» Il reste encore de nombreuses questions concernant cette approche. «C’est le saint graal, si c’est possible de manipuler le microbiome du rumen, ajoute Alexander Hristov, professeur à l’Université d’Etat de Pennsylvanie, qui ne participe pas au projet de recherche. Mais il faut garder à l’esprit que le microbiome s’est développé sur des millions d’années ; il est très, très difficile à changer ou modifier de manière permanente.»

«C’est un peu comme un safari»

James Marsh, professeur en ingénierie du microbiome à l’Institut Max Planck en Allemagne, souligne que les scientifiques en sont encore aux premières étapes de l’application de l’ingénierie génétique à l’ensemble du microbiome. «Nous devons être capables de l’appliquer à tous les organismes pour vraiment libérer le potentiel de l’ingénierie microbienne», note-t-il.

Dans le laboratoire de l’institut de génomique, Spencer Diamond, vêtu d’une blouse de laboratoire bleu foncé, ouvre un congélateur de la taille d’une vache adulte où est stocké le matériel génétique. Après que le fluide du rumen de Sushi a été congelé rapidement et traité dans un laboratoire à Davis, les scientifiques transportent le matériel génétique ici et en extraient l’ADN. Ensuite, ils commencent à réassembler les espèces présentes dans le rumen.

Même s’ils comprennent les grandes lignes du fonctionnement du rumen de la vache, les scientifiques sont encore en train de cartographier toutes les espèces à l’œuvre, dressant une sorte d’inventaire microbien de chaque bactérie, champignon et archée. C’est essentiel à la fois pour comprendre quelles espèces produisent du méthane et comment ajuster le processus. «C’est un peu comme un safari», image Spencer Diamond. Il décrit cela comme l’assemblage de 100 puzzles en même temps. Le processus d’extraction découpe l’ADN de chaque micro-organisme en centaines de petits morceaux ; avec l’aide d’un ordinateur et de l’apprentissage automatique, les chercheurs réassemblent chacun de ces génomes. Ainsi, ils peuvent voir comment le microbiome a évolué sous l’effet du traitement à base d’algues et comment le reproduire.

Jusqu’à présent, ils ont découvert que l’huile d’algue bloque une enzyme que les archées utilisent pour traiter l’hydrogène. Sans cette enzyme, le nombre d’archées chute rapidement. Cela laisse plus d’hydrogène pour des bactéries, comme celle appelée duodenibacillus. Comme les archées, le duodenibacillus absorbe l’hydrogène, mais au lieu de le transformer en méthane, il le convertit en plus d’énergie pour la vache. Les scientifiques pensent qu’ils peuvent reproduire cet effet grâce à l’édition génétique. Ils pourraient insérer des modifications dans le duodenibacillus – ou un organisme similaire pour le rendre plus rapide et plus puissant, l’aidant ainsi à surpasser les archées et à en consommer encore plus. Sans hydrogène, les archées n’auront rien à manger et rien à transformer en méthane.

Lorsqu’il s’agit d’éliminer une espèce indésirable d’un écosystème, Spencer Diamond affirme que le monde microbien est semblable au monde macroscopique : il existe différentes façons de cibler l’espèce. Dans une communauté où il y a un afflux de cerfs, on pourrait lancer un programme de chasse ; dans le monde microbien, cela équivaut à insérer un gène dans les producteurs de méthane pour les éliminer. Mais tout comme il est difficile de trouver et de cibler tous les cerfs, il est difficile de s’assurer que l’outil d’édition génétique atteigne toutes les archées. «En réalité, il est très difficile d’éditer chaque microbe d’un groupe», relève Spencer Diamond.

La crainte de conséquences imprévues persiste

Une alternative– celle que Cress et Diamond pensent être la plus prometteuse – consiste à introduire un concurrent, une sorte d’élan microbien qui pourrait dévorer l’hydrogène avant que les archées n’aient la chance de le transformer en méthane. Une bactérie comme le duodenibacillus pourrait être rendue plus performante que les archées grâce à l’édition génétique.

«Nous voulons déclencher un changement permanent», relate Matthias Hess, professeur en sciences animales à l’Université de Californie à Davis, qui testera certains des traitements dans son laboratoire. Le traitement idéal serait une sorte de traitement probiotique précoce pour une vache, une gélule qu’un veau pourrait avaler, créant un changement durable dans son microbiome. Bien qu’un petit nombre de bovins soient nourris chaque jour, la majorité d’entre eux reçoivent au moins un vaccin pendant leurs premières années. Les chercheurs imaginent une pilule probiotique administrée avec ces premiers vaccins, atteignant les vaches qui, autrement, passeront toute leur vie à l’herbe.

Un tel probiotique pourrait également améliorer la productivité d’une ferme. Les bovins peuvent perdre jusqu’à 12 % de leur énergie en éructant du méthane ; d’autres ruminants, comme les moutons et les chèvres, perdent aussi de l’énergie de cette manière. «S’il existe un moyen de rediriger cet hydrogène et de le convertir en lait, viande, laine, ce serait beaucoup plus accepté par les agriculteurs», dit Ermias Kebreab. Les premiers traitements seront testés sur les bovins de Davis, les chercheurs suivant leurs éructations pour évaluer la réduction des émissions de méthane.

Il reste encore beaucoup à faire. Bien que les scientifiques aient prouvé qu’ils pouvaient éditer génétiquement les microbes, ils n’ont pour l’instant pas montré qu’ils pouvaient modifier une petite fraction des microbes dans le tractus intestinal de la vache – ou de l’humain, d’ailleurs. Les chercheurs de l’Institut de génomique développent des outils d’édition génétique microbienne, tout en cartographiant les espèces du microbiome. Ils construisent l’avion en le pilotant. Les équipes ont reçu suffisamment de financement pour sept années de recherche. Le projet a commencé l’année dernière, et elles espèrent avoir un traitement d’essai prêt à tester sur les vaches d’ici deux ans.

Pour certains sceptiques de l’édition génétique, une sorte de pilule probiotique modifiée génétiquement et surdosée pourrait sembler plus acceptable que la modification d’une espèce entière de vache, ou la culture de viande dans un réacteur biologique. Mais la crainte de conséquences imprévues persiste, même chez les chercheurs. «Nous devons être conscients de la puissance de ces technologies, avertit Spencer Diamond. Les gens auront peur de l’inconnu.»

Néanmoins, la promesse de modifier les microbes est tentante. Ce ne sont pas seulement les bovins qui produisent du méthane, mais aussi les chèvres, les moutons, le dégel du permafrost dans l’Arctique ou les marécages des régions tempérées. Les leçons tirées des vaches pourraient, selon Brad Ringeisen, aider à concevoir des interventions pour d’autres animaux et même des écosystèmes. «Je suis convaincu que c’est un problème soluble», veut-il croire.

De retour à la ferme laitière de Davis, son fluide de rumen congelé en toute sécurité dans des laboratoires situés dans la baie de San Francisco, le veau Suschi replie ses pattes sous lui et se couche sur son lit de coques de riz pour une sieste. Une mouche se pose sur son oreille, il la chasse d’un coup de tête. Autour de lui, les vaches de la ferme soufflent du méthane.

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