Fiche de révision : Microorganismes et bioindustries

📋 Plan du Cours

1. Microorganismes et métabolites primaires
2. Métabolites secondaires et produits d’intérêt
3. Transfert génétique et production
4. Fermenteur et modes de culture
5. Cultures continues et régulation

📖 1. Microorganismes et métabolites primaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Microorganismes d’intérêt en bioindustries : Réalisation de la biosynthèse ou de la production de substances utiles, principalement par les bactéries, les levures et les moisissures.
• Métabolite primaire : Composé nécessaire à la croissance du microorganisme, produit pendant sa phase exponentielle.

★ À maîtriser

• La fermentation homofermentaire transforme une molécule de glucose en deux molécules de lactate et deux molécules d’ATP.

• La fermentation hétérofermentaire transforme une molécule de glucose en une molécule de lactate, une molécule d’ATP, une molécule d’éthanol et une molécule de CO2.

Compléments

• Les bactéries lactiques, notamment Streptococcus thermophilus, fermentent le lactose du lait en acide lactique, utilisé pour produire des yaourts et des fromages.

• Acetobacter aceti oxyde l’éthanol en acétaldéhyde puis produit de l’acide acétique, utilisé pour fabriquer du vinaigre.

📌 La production d’acide acétique par les bactéries acétiques nécessite du dioxygène et repose sur une respiration aérobie dans la chaîne respiratoire de la membrane plasmique, où le dioxygène est l’accepteur final des électrons.

💡 Astuce mémo

Primaire = croissance ; secondaire = intérêt biologique

📖 2. Métabolites secondaires et produits d’intérêt

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolite secondaire : Molécule non essentielle à la croissance du microorganisme, mais possédant des propriétés biologiques intéressantes, produite à la fin de la phase exponentielle et pendant la phase stationnaire.

★ À maîtriser

• La moisissure Penicillium produit la pénicilline, un antibiotique qui empêche les bactéries de se développer.

• Lactococcus lactis produit la nisine, une bactériocine antimicrobienne qui tue ou inhibe les bactéries proches et qui est utilisée comme conservateur alimentaire.

Compléments

• Staphylococcus aureus produit une entérotoxine, composée toxique pouvant tuer des microorganismes concurrents ou interagir avec l’hôte.

• Les autres exemples comprennent:

  • les pigments
  • les agents cytotoxiques
  • les agents antitumoraux

💡 Astuce mémo

Penicillium → pénicilline ; Lactococcus → nisine ; Staphylococcus → entérotoxine

📖 3. Transfert génétique et production

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasmide : Petite molécule d’ADN circulaire présente dans une bactérie en plus de son ADN principal et utilisée comme vecteur d’expression.

★ À maîtriser

• 🔄 Le transfert du gène comprend les étapes suivantes: couper le plasmide avec une enzyme de restriction, isoler le gène d’intérêt, couper le gène avec la même enzyme, insérer le gène dans le plasmide, introduire le plasmide recombiné dans la bactérie

• Après la transformation, la bactérie se divise et chaque nouvelle bactérie reçoit le plasmide recombiné, puis le gène d’intérêt s’exprime et permet la fabrication de la protéine codée avant sa purification ou son extraction.

• Escherichia coli produit de l’insuline humaine par génie génétique à partir du gène humain codant l’insuline.

Compléments

• Bacillus subtilis produit davantage de vitamine B2 par génie métabolique, qui amplifie les gènes producteurs et supprime les gènes limitant la production.

• Le choix de l’hôte dépend de:

  • la complexité de la protéine à produire
  • le rendement souhaité
  • le coût de production

💡 Astuce mémo

Couper → isoler → insérer → transformer → multiplier → exprimer → purifier

📖 4. Fermenteur et modes de culture

🔑 Notions clés & Définitions

• Fermenteur : Cuve contenant des microorganismes et leur milieu de culture, dans laquelle le pH, la température, l’oxygène et l’agitation sont contrôlés pour produire une molécule d’intérêt en grande quantité.

📝 Points essentiels

📌 En culture batch, le milieu, le substrat et les microorganismes sont introduits dès le départ, puis rien n’est ajouté ni retiré jusqu’à la fin, ce qui maintient un volume constant.

📌 En culture fed-batch, une faible quantité de substrat est introduite au départ puis le substrat est ajouté progressivement pendant la fermentation, sans retrait avant la fin, ce qui augmente le volume.

• Le fed-batch permet de: éviter l’inhibition par excès de substrat, prolonger la phase exponentielle de croissance, augmenter le rendement et la productivité volumique horaire, contrôler le métabolisme des microorganismes

📌 En culture continue, les nutriments sont apportés en continu et la culture est retirée simultanément, ce qui maintient un volume constant et une production stable et prolongée.

💡 Astuce mémo

Batch : rien n’entre ni ne sort ; fed-batch : le substrat entre ; continu : substrat entrant et culture sortante

📖 5. Cultures continues et régulation

🔑 Notions clés & Définitions

• État stationnaire : L’état stationnaire d’une culture continue est atteint lorsque la biomasse, le substrat et les produits restent stables et gardent la même composition au cours du temps.
• Facteur limitant : Molécule indispensable à la croissance bactérienne dont la quantité limitée restreint la croissance.

★ À maîtriser

📌 Dans un chemostat, le taux de dilution est constant et un nutriment limitant contrôle la croissance bactérienne.

📌 Dans un turbidostat, le débit est ajusté automatiquement pour maintenir une densité cellulaire constante, mesurée indirectement par la turbidité du milieu.

• Une boucle de régulation mesure un paramètre par un capteur, le compare à une consigne, puis active des effecteurs pour corriger l’écart avant de recommencer la mesure.

Compléments

📌 La culture continue maximise la productivité à long terme, évite les phases de déclin du batch, améliore le contrôle des conditions de culture et réduit les coûts.

• Lorsque le pH s’écarte de la consigne, une pompe à acide ou à soude corrige le milieu.

💡 Astuce mémo

Mesure du paramètre → comparaison à la consigne → correction par les effecteurs

📊 Tableaux de synthèse

Métabolites primaires et secondaires

Modes de culture en fermenteur