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Biotechnologie : Terminologie introduite en 1913 Karl Ereky (Ingénieur agricole

Biotechnologie : Terminologie introduite en 1913 Karl Ereky (Ingénieur agricole Hongrois) Il voulait développer la production agricole pour en faire une matière première pour la production industrielle de molécules par les méthodologies BIOCHIMIQUES naissantes Mise en œuvre de matériel biologique pour la production de biens et ou de services Avantages des microorganismes : Multiplication rapide -> bonne rentabilité des infrastructures Se développent sur des nutriments renouvelables Grande diversité métabolique : peuvent être utilisées pour produire beaucoup de molécules Peuvent être adaptés à des objectifs productivistes : sélection, génie génétique, transgènèse Peuvent produire des molécules étrangères (clonage) Facile à cultiver, croissance rapide -> peu de risque de contamination Facilité de purification des molécules produites Production à température modérées (énergétiquement économe) Historique Méthodes ancestrale utilisées depuis le début de l’humanité pour la fabrication de fromages, de pain et de boissons alcoolisées. Pratiques empiriques « magiques » qui permettaient de conserver les aliments (fermentation, vinification…) Des microorganismes alors complètement méconnus étaient à l’œuvre Cette phase de proto-biotechnologie (empirique) a duré jusqu’au XIX siècle C’est à dire, l’époque « pastorienne » de la découverte des microorganismes et de leur caractérisation Quelques points de repères : Sélection des espèces végétales et animales pratiquées des l’antiquité Distillation XV ème siècle Culture des champignons XVII Siècle Préparation industrielle du sucre de betterave (XVIIéme siécle) Préparation de molécules à capacités pharmacologiques (XVII éme siécle) XVIII siècle essor de la chimie : Lavoisier (respiration, photosynthèse fermentations) Chaptal (vinification) Berzelius (la catalyse), purification de la première « diastase » (amylase) Pasteur : nature biologique de la fermentation et rôle des microorganismes; pasteurisation 1876; définition d’un enzyme : « ferment isolé d’un organisme vivant » 1883; Hause société Carlsberg : développement des cultures pures de levure 1888; création de l’Institut Pasteur 1912 découverte des vitamines -> production industrielle par des microorganismes 1913 Première préparation d’enzymes pour la lessive 1915 production de solvants par fermentation anaérobie (explosifs) 1940-45 purification des antibiotiques (Fleming 1929, penicillium utilisés comme agent antibactérien des 1870) 1963 commercialisation des premières lessives aux enzymes 1972-74 les premiers OGM (clonage d’exogènes dans E. coli, vecteurs bactériens : virus et plasmides 1980 Premiers OGM d’intérêt industriel (production insuline, hormones de croissance, interféron) 1980-81 Transgénèse végétale (Plasmide Ti d’Agrobacterium) 1987 Maïs transgénique 1994 Tomates transgéniques etc… Procaryotes (anuclées) : les bactéries et les archées (archae) Les microorganismes utilisés en biotechnologies sont principalement des champignons et des bactéries Exemple de procaryote : une bactérie fréquente du tube digestif de l’Homme : Escherichia coli vue en microscopie électronique, (Photo F. Sauvager / Université Rennes). Exemple de procaryote : archéobactérie thermoacidophile (milieu chaud et fortement acide) Acidianus ambivalens Microorganismes Organismes microscopiques souvent unicellulaires Eucaryotes (nuclées) : Champignons, algues, protozoaires Exemple de protozoaire cilié : la paramécie utilise des cils pour se déplacer et se nourrir Exemple de levure : Saccharomyces cerevisae Elle est utilisée dans la fabrication du pain, du vin et de la bière Exemple d’algues : l’euglène Les bactéries sont classées selon : G+C% : varie de 25 à 75% Hybridation des acides nucléiques : Cinétique de réassociation des ADN dénaturés provenant de 2 génomes(avant séquençage systématique des génomes complets) donne une idée de % d’homologies entre génomes. Les bactéries peuvent aussi être classées selon : Analyse phylogénétique : établir une parenté entre les organismes et estimer leur temps de divergence Arbres phylogénétiques : représentation shématique de la phylogénèse (Haekel 1866) Séquençage des génomes Etablissement d’arbre phylogénétiques basé sur des données de séquences. Principe : L’apparition de mutations étant aléatoire et spontanée le nombre de mutations (différences de séquence) qui séparent deux espèces mesure le temps qui s’est écoulé depuis leur apparition à partir d’une espèce pré-existante unique. Cette hypothèse revient à postuler l’existence d’une cellule vivante originale unique qu’on appelle LUCA pour : Last Universal Common Ancestor) On raisonne en « distance évolutive » : nombre de substitutions survenues dans les deux lignées depuis leur divergence. Elle est, bien sur, fonction du temps. Il faut choisir un gène universellement conservé : Système de transcription, de traduction L’ARN 16S a été choisi Ses avantages : Présent dans tous les organismes Structure très conservée Abondant et facile à purifier à partir de ribosomes Principes de la méthode Aligner plusieurs séquences du 16S ayant la même origine et dénombrer les différences. 1 CGUAGACCUGAC (12 mer) X X X 3 différences entre les séquences; soit une distance évolutive de 3/12 = 0,25 2 CCUAGACGUGUC Si on analyse plus de deux séquences (4 : A, B, C et D) on compare les séquences 2 à 2 A-B = 0,3; A-C = 0,44; A-D = 0,61 B-C = 0,31; B-D = 0,46 C-D = 0,43 Puis on tente de construire l’arbre le plus vraissemblable. Par exemple C B A D 0,08 0,23 0,08 0,29 0,13 0,01 Feuille Branche noeud Ancètre commun Last Universal Common Ancestor (LUCA) (3,5-4 milliards d’années) Chloroplastes Mitochondries (ascomycota) Diversité du métabolisme bactérien Les bactéries ont besoin d’ENERGIE pour se multiplier Elles tirent leur énergie de l’environnement Elles utilisent soit le potentiel chimique des molécules disponibles (chimiotrophes) soit l’énergie lumineuse (phototrophes) Elles se sont adaptées à des environnements très divers Le potentiel chimique des molécules de l’environnement (SH2) est transféré à la cellule grâce à des couples oxydo-réducteurs (exemple : A-AH2) SH2 + A (oxydé) -> S (oxydé) + AH2 (réduit) + énergie Chaque couple a un potentiel d’oxydo-)réduction qui détermine le sens de la réaction Le couple qui a le potentiel le plus élevé est oxydant ; il sera réduit lors de la réaction. red ox Succinate / fumarate pot redox = +0,02 V H2O / 1/2 O2 pot redox = 0,82 V FADH2 / FAD pot redox = -0,20 V H2 / H+ pot redox = 0 red ox red ox red ox red ox FADH2 + Fumarate -> succinate + FAD succinate + 1/2 O2 -> H2O + fumarate Les chaines d’oxydo réductions (transfert d’électrons) permettent à la cellule de récupérer l’énergie SH2 S AH2 A BH2 B C CH2 NH2 N Accepteur final (donneur d’électrons) Accepteur réduit Récupération de l’énergie Couplage avec la machinerie de synthèse d’ATP Le potentiel chimique diminue progressivement Les bactéries utilisent l’énergie chimique d’un grand nombre de molécules minérales ou organiques Le shéma ci-dessus montre que les bactéries ont également besoin d’un ACCEPTEUR final qui peut être l’oxygène ou une molécule minérale (lithotrophe) ou organiques (organotrophe). L’accepteur peut être intracellulaire (fermentation) ou extracellulaire (respiration). La respiration peut être anaérobie si l’accepteur n’est pas l’oxygène (NO3-/NO2-; SO42-/H2S; etc…) Les bactéries ont également besoin de MATIÈRE pour se multiplier (synthèse de biomasse) qu’elles peuvent puiser dans des molécules organiques (hétérotrophe) ou minérale (autotrophe) La source d’énergie peut également être utilisée comme source de matière. C’est le cas des bactéries Hétérotrophes qui oxydent des molécules organiques qui leur fournissent également carbone et azote. Les bactéries chimiotrophes ont besoin de sources de carbone distinctes de leur source d’énergie (H2, H2S, NH3 etc;…) Les bactéries qui utilisent des sources d’énergie minérales à faible potentiel chimique ont en général un métabolisme énergétique de type aérobie (rentabilité maximum de l’énergie interne) Quelques exemples de sources d’énergie et d’accepteurs finaux des chaînes d’oxydo-réduction Bactéries chimiotrophes utilisant une source d’énergie « minérale » (non organique) Bactéries utilisatrice hydrogène H2 est donneur d’énergie, l’accepteur d’H est l’Oxygène, la source de carbone est le CO2 H2 + 2O2 + CO2 -> molécules organiques (biomasse) + H2O Aquifex, Hydrogenobaculum… Bactéries sulfureuses Donneurs d’énergie : H2S, S, S2O3 -, l’accepteur de proton est O2, elle libèrent de l’acide sulfurique (SO4 2-), elle utilisent CO2 comme source de carbone. Beggiatoa, Thiotrix, Thiobacilles (très corrosives : maladie de la pierre) Bactéries utilisant le Fer et le Manganèse Fe2+ + O2 + H+ -> Fe3+ + H2O Sphaerotilus, Leptothrix, Thiobacillus Sphaerotilus est utilisé pour épurer l’eau (elle est présente dans les boues actives des épurateurs) Gallionela prolifère dans les canalisations d’eau potable qu’elle peut boucher Bactéries nitrifiantes utilisant les nitrates Elle utilisent NH3 ou les nitrites NO2 - commes source d’énergie et forment des nitrates (NO2 -3) . L’accepteur d’hydrogène est toujours O2 et la source de carbone est le CO2. Certaines transforment NH3 en NO2 - (nitrites) Bactéries lithotrophes anaérobies (l’accepteur final d’H est extracellulaire et n’est pas l’O2 : respiration anaérobie) Sources d’énergie : H2S, sulfures, thiosulfates… Les accepteurs d’H sont principalement : les nitrates, les sulfates te les carbonates. Nitrates : NO3 - -> NO2 - NO ou N2 E. coli, Bacilli, Pseudomonas, peuvent avoir ce genre de métabolisme en anaérobie Mais les vraies « bactéries dénitrifiantes » assurant la dénitrification complète sont peu nombreuses : Thiobacillus denitrificans Sulfates : Desulfovibrio réduit SO4 2- (accepteur d’H) en sulfures (S2-) puis en hydrogène sulfuré (H2S) Source d’énergie : Carbone organique et aussi H2. Carbonates : Bactéries méthanogènes. Methanobactérium, Methanobacillus, Methanococcus, Methanosarcina… Bactéries utilisant les molécules organiques comme sources d’énergie et de carbone et l’O2 comme accepteur d’H2. Elles libèrent du CO2 (Organotrophes aérobies) Certaines comme Pseudomonas peuvent utiliser juqu’à 80 molécules différentes comme source d’énergie alors que Diplococcus glycinophilus n’en utilise qu’une : le glycocolle. Certaines bactéries (Acetomonas, Acetobactère…) n’oxydent pas uploads/Industriel/ cours-biotech-utilisation-des-microorganismes-2012.pdf