Utilisation et contrôle des micro-organismes

Utilisation et contrôle des microorganismes

A) Biotechnologies
Utilisation du matériel vivant pour synthétiser un produit.
Par ex : fermentation pour donner des produits alimentaires

Les biotechnologies blanches 🡪 industrie
jaunes 🡪 environnement
rouges 🡪  applications médicales  
vertes 🡪 agro-alimentaire
bleues🡪 environnement aquatique
noires 🡪 bioterrorisme, biocontrôle
nanobiotechnologies

Les microorganismes employés ont été isolés dans la nature et souvent modifiés par les procédés de mutation-sélection (UV, nitrosoguanidine NTG, Ethylméthane sulfonate EMS )

1. Intérêt des microorg en biotech

Facile à cultiver, bon rendement de production, capacité de synthèse et de dégradation, adaptation à différents milieux
Pour sélectionner les souches bactériennes à utiliser, on doit avoir certaines caractéristiques :
capacité de synthétiser le produit recherché efficacement, avoir une bonne stabilité génétique au cours des générations, croissance rapide, et absence de pouvoir pathogène
Un Homme ne pourrait consommer son propre poids de sucre qu'en 250h. Une bactérie lactique utilise son poids de lactose en 0,4 secondes seulement[pic 1]

Procédés de culture :         
Fermenteur (dicontinu) et chémostat (continu)

1. Produits de la microbiologie industrielle

Métabolites primaires :  formés pendant la phase exponentielle de croissance
exemple : alcool
Métabolites secondaires : formés le plus souvent en fin de phase exponentielle ou lors de la phase stationnaire  
ne sont essentiels ni à la croissance ni à la reproduction
exemple : antibiotiques[pic 2]

Fermentation :
Fermentation lactique 🡪 pyruvate accepteur d’électrons [pic 3]

Fermentation alcoolique 🡪 acétaldéhyde accepteur d’électrons [pic 4]

Ex de fermentation lactique :
Fabrication yaourt :
Fabriqué à partir de lait, pasteurisé, avec 2 bactéries pour fermentation : Streptococcus thermophilus et Lactobacillus bulgaricus (acidifiante)
La fermentation se fait dans des conditions bien déterminée de durée et de température de chauffage (42 à 45°C), jusqu'à atteindre l’acidité désirée (1%). Le temps de chauffage est environ de 3h30 à 5h.
10^9 bact/g

Fabrication fromage : coagulation du lait, utilisation de ferments lactique

Ex de fermentation alcoolique :
Le vin : La fermentation se déroule à 22°C durant 12 à 15 jours, jusqu'à disparition totale du sucre (C6HI206 ) qui se transforme en éthanol (C2H5 0H).
•une 2ème fermentation, la fermentation malolactique, grâce à Oenococcus oeni (Leuconostoc), permet la transformation de l'acide malique (C4H6O5 ) en acide lactique (C3H6 03 ) Cette fermentation (durée approximative de 10 jours) permet une diminution de l'acidité du vin et améliore donc le goût.

Production d’enzymes :

• Amylases (Bacillus stearothermophilus)
•  Protéases (Streptomyces)
•  Pectinases (Aspergillus)
•  Streptokinases (Streptococcus)
•  Rennine (Mucor)

Production d’acides aminés 🡪 série L, biologiquement actif
Acide glutamique, phénylalanine, lysine

Production d’acides organiques (plastique, colle, résine, parfums, médicaments)
• Acide lactique (Lactobacillus) E270
•  Acide citrique (Aspergillus niger) E330
•  Acide gluconique (Aspergillus, Penicillium) E574
•  Acide gallique(Aspergillus)

Vitamines  

• Vitamine B12 (cyanocobalamine) par Bacillus ou Propionibacterium  
• Vitamine C : Acetobacter suboxydans convertit le sorbitol en L sorbose. Le L sorbose est converti chimiquement en acide ascorbique  
• Vitamine B2 (Ashbya gossypii)

Biopolymères

•  Dextranes (Leuconostoc)  
•  Exopolysaccharides (Erwinia)
•  Alginates (Azotobacter)
•  Polyhydroxybutyrate (Alcaligenes)
•  Agar (diverses algues)•

Antibiotiques

1928 : Fleming découvre le premier antibiotique : la pénicilline fabriquée par le Penicillium et active contre les bactéries Gram+
1940 : la Pénicilline est testée en clinique et produite en masse.

Production de pénicilline:
1 – le Penicillium est cultivé en fermenteur dans un milieu riche (extrait de maïs, extrait de levure…)
2 – au bout de 40h la pénicilline commence à être sécrétée par le champignon
3 – le mycélium est enlevé par filtration
4 – la pénicilline est extraite dans un solvant organique (butylacétate)
5 – la pénicilline est précipitée (addition de sels de potassium); le précipité est lavé et séché

Production de pénicilline augmentée en présence de lactose et condition limitante en azote

Alcools, solvants, production d’énergie

Alcool éthylique (Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis)
Isopropanol ; Acétone ;  Butanol  (Clostridium)
Glycérol ( Bacillus subtilis)
Méthane ( Méthanigènes)

Bioconversion : ou biotransformation
c’est un changement mineur introduit dans une molécule par des µorganismes en repos. Ils agissent comme des biocatalyseurs.

Valorisation des déchets : Élimination des déchets et production de substances d’intérêt économique
•  Les déchets cellulosiques
•  Les déchets alimentaires
•  Les copeaux de bois et autres déchets des scieries
•  Les substances amylacées (mélasses, amidon, déchets de pommes de terre)

Ces déchets peuvent être transformés par les bactéries, les champignons cellulolytiques en alcool, acide butyrique, méthanol

Dégradation de substances particulières

•Pseudomonas métabolise des hydrocarbures aromatiques (toluène, benzène, triméthyl-benzène), les phénols, les organo-chlorés.  
•Klebsiella ozaenae dégrade des herbicides comme le bromoxymil  
•Pseudomonas putida dégrade des métaux lourds comme le mercure

La dégradation de ces composés met en jeu des oxydases spécifiques portées par des plasmides

Bioremediation 🡪 Bactérie qui dégrade la matière organique dans les eaux usées.
Bactérie qui dégrade ou détoxifie des polluants comme l’huile et le mercure

Insecticide :
Les produits employés sont d’origine biologique (Bacillus thuringiensis ser. israelensis - Bti), choisis par le laboratoire pour n’éliminer que les larves de moustiques et exclusivement celles des espèces piquant l’Homme. (contrôle sélectif) garantie d’une efficacité renforcée dans le respect le plus strict de l’environnement naturel.