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P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Biotechnologies et biopro

P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Biotechnologies et bioprocédés Introduction Université Toulouse III – L2 CBPS Patrice BACCHIN Enseignant Chercheur Procédés de Séparation et Membranes Université Paul Sabatier Laboratoire de génie Chimique 31 062 TOULOUSE Cedex 9 Tel : 05 61 55 81 63 Fax : 05 61 55 61 39 Email : bacchin@chimie.ups-tlse.fr Web : http://lgc.inp-toulouse.fr http://www.patricebacchin.fr CHIMIE BIOLOGIE PHYSIQUE SANTE P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Partie 1 : Biotechnologies • Quoi ? • Pourquoi ? • Comment ? • Avec quoi ? Définition Enjeux Démarche Matériel biologique P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Généralités : Quoi ? • Définition OCDE : l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants et à d’autres matériaux vivants ou non vivants, pour la production de savoir, biens et services – Évolution naturelle de la biologie et de l’ingénierie possible grâce aux nouvelles techniques (chromatographie, électrophorèse, méthodes optiques, …) et à l’explosion de connaissances sur le fonctionnement de la cellule et du matériel biologique OCDE : Organisation de coopération et de développement économiques P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Généralités : Pourquoi ? • Pour rechercher les causes des maladies, concevoir, tester et produire des médicaments spécifiques ou des dispositifs bio-médicaux • Pour mettre au point des procédés, de traitement ou de recyclage innovants (techniques de bioremédiation) • Pour mettre au point des capteurs de l’état de l’environnement, de sa pollution par des substances chimiques. • Pour produire dans le domaine de l'agriculture, au travers en particulier des OGM • Pour développer des alternatives énergétiques notamment par la production de biogaz et d’alcool Méthode de production « douce » plus économe en énergie et moins polluante P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Généralités : Comment ? • Des moyens matériels : Système de production à grande échelle de « produit d’intérêt » : métiers de la recherche, du développement et de la production CHIMIE BIOLOGIE PHYSIQUE SANTE • Des connaissances : un socle pluridisciplinaire : biologie, microbiologie, biologie moléculaire, chimie, biochimie, physique biophysique, génétique, l'informatique. P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi ? le matériel biologique Enzyme 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 1 mm 1 μm 1 nm atomes molécules protéines virus procaryotes eucaryotes ADN Levures Bactéries (0,1-5 μm) P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi : des chaînes d’informations • Les polynucléotides – stockage de l’énergie ATP – Coenzymes (NAD, …) – Synthèse de polyosides – ADN : support de l’information génétique et agents pour l’expression de cette information • ADN -> ARN -> Protéines traduction transcription ADN : L’acide désoxyribonucléique ARN L’acide ribonucléique NAD : Nicotinamide adénine dinucléotide (aide les enzymes à transférer les e-) P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi : des macromolécules au travail • Protéines à activité catalytique (enzymes) – Enzymes utilisés dans des bioréacteurs batch (enzymes solubles) ou des bioréacteurs continus (bioréacteurs à lit fixe ou lit fluidisé) – Utilisation d’enzymes à l'échelle industrielle : la xylose isomérase (ex glucose isomérase isomérisant le glucose en fructose (isoglucose ou HFCS)), les L amino-acylases (production d'acides aminés), ... – Jouent un rôle de catalyseur (accélération de réaction) sans être consommées. Certaines enzymes ont besoin d’une co-enzyme pour catalyser la réaction. – Enzymes solubles (enzyme-substrat en phase homogène) ou insolubilisés (enzyme immobilisé-substrat en phase hétérogène) : enzymes solubles plus actives mais moins stables que les enzymes immobilisés P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Enzyme : A quelle vitesse ? • La cinétique enzymatique [ ] [ ] [ ] m K S S v dt P d v + = = 0 0 max E+S ES E+P k1 K-1 k2 Modèle de Michaëlis Menten [ ]0 max 2 E k v = 1 2 1 k k k Km + = − •Si Km >> [S] -> réaction d’ordre 1 •Si Km << [S] -> réaction d’ordre 0 P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Exercices • Si vmax=100 μmol.ml-1.s-1 et Km = 2mM, quelle est la vitesse de la réaction quand [S]=20 mM ? • V=91μmol.ml-1.s-1 • On trouve les vitesses de réaction suivantes pour différentes concentrations en substrat : [S]0 (mM) 1 2 4 8 12 v (μmol.ml-1.s-1) 12 20 29 35 40 Déterminer les constantes de réaction de Michaëlis-Menten • Vmax=51 μmol.ml-1.s-1 et Km=3,2 mM P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Les cellules : microorganismes ou cellules d'eucaryotes supérieurs. Avec quoi : Une usine naturelle P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi : des microorganismes comme usine • Microorganismes (virus, bactéries, protistes, levures) Microorganisme recherché (utilisation du génie génétique) et cultivé pour la synthèse de métabolites ou la dégradation d’un substrat Conditions de culture peu exigeantes par rapport à des cellules animales P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi : des virus comme usine Le virus n’est pas une vrai cellule mais un amas de matériau génétique entouré d’une enveloppe protéiques. Sans activité en dehors d’une cellule dont il utilise l’ADN pour se reproduire. Les virus bactériophages s’attaquent aux bactéries (il existe un phage pour un type de bactérie) : •vecteurs de clonage pour insérer de l'ADN dans les bactéries. •Un agent antimicrobien performant (pourra à terme remplacer les antibiotiques) Virus de la grippe Influenza • Le virus : un combattant en sommeil P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi : des bactéries comme usine • Très nombreuses : dix fois plus de cellules bactériennes que de cellules humaines dans le corps humain • La plupart sont inoffensives mais certaines sont pathogènes (choléra, tuberculose …) : avant la découverte des antibiotiques, ces maladies étaient parmi les plus meurtrières • Mobile, communicante • La bactérie : un organisme vivant unicellulaire procaryote P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés • Levures (champignon unicellulaire eucaryote) – apte à provoquer la fermentation (Saccharomyces cerevisiae) – de 5 microns à 50 microns – peuvent être pathogène (candida - > mycoses) Saccharomyces cerevisiae P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi ? Des cellules animales • La cellule humaine – Taille de 5 à 20 microns – Assemblage de cellule de même type -> organe -> fonction – Conditions de culture plus exigeantes P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Avec quoi ? De l’énergie Processus énergétique • Métabolisme respiratoire : dégradation complète du substrat – La référence l’oxydation du glucose : – C6H12O6 + 6 O2 -> 6CO2 + 6H2O + 688 Kcal – Respiration aérobie -> 38 ATP -> 277 Kcal rdt 40% • Fermentation alcoolique (levure) – C6H12O6 -> 2CO2 + 2 CH3-CH2-OH + 54 Kcal – 2 ATP -> Rdt 2 % • Fermentation lactique (bactérie) – C6H12O6 -> 2 CH3-CHOH-COOH + 22,5 Kcal – 2 ATP - > Rdt 2% • Respiration anaérobie – C6H12O6 + 12 KNO3 -> 6 CO2 + 6 H20 + KNO2 + 429 Kcal – 25 ATP - > Rdt 1 ATP = 7,3 Kcal 1 cal = 4,186 J (SI) Acide lactique P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Exercice • On dispose de 100L de jus de fruit dont la concentration massique en glucose est égale à 53.2 g/L . – Quel est le volume de CO2 libéré lors de la fermentation alcoolique de ce jus de fruit ? – Calculer le degré d’alcool obtenu après fermentation ? Degré d’alcool : titre volumique qui est le rapport entre le volume d'alcool pur contenu dans le liquide et le volume total (la densité à 20 °C de l’éthanol est de 0,791) P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Des Biotechnologies • Quoi ? • Pourquoi ? • Comment ? • Avec quoi ? Définition Enjeux Démarche Matériel biologique + Des bioprocédés P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Bioprocédés • Le principe de l’usine cellulaire • Une histoire dans le temps • Une implantation dans l’espace • Un cœur : le bioréacteur • De la qualité à grande échelle • Une usine dans un environnement • Quelques exemples de bioprocédés P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Le principe de l’usine cellulaire Le biocatalyseur qui permet de faire dans des conditions douces des réactions (nécessitant des conditions extrêmes ou ayant des rendements faibles ex-vivo) Substrat Métabolites primaires (issus des voies métabolites nécessaires à la survie : la respiration) Métabolites secondaires (souvent produit lorsque le milieu s’appauvrit) Usine cellulaire Le bioprocédé permet de faire fonctionner le biocatalyseur avec un contrôle « fin » des conditions P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés L’utilisation de l’usine cellulaire Métabolites primaires Métabolites secondaires Dégradation de la matière organique biorémédiation Conversion biomasse Agroalimentaire Environnement Energie Substrat Pharmacie Culture cellulaire Ingénierie tissulaire Organe bioartificiel Biomédical Usine cellulaire Source alimentaire •Alcool •CO2 •Produit actif P. BACCHIN – L2 CBPS – Biotechnologies et Bioprocédés Une histoire de temps uploads/Science et Technologie/ bio-proced-e.pdf