Microbiologie industrielle

L'application médicale de la microbiologie industrielle est la production de nouveaux médicaments synthétisés dans un organisme spécifique à des fins médicales. La production d'antibiotiques est nécessaire pour le traitement de nombreuses infections bactériennes. Certains antibiotiques et précurseurs naturels sont produits par un processus appelé fermentation. Les micro-organismes se développent dans un milieu liquide où la taille de la population est contrôlée afin d'obtenir la plus grande quantité de produit. Dans cet environnement, les nutriments, le pH, la température et l'oxygène sont également contrôlés afin de maximiser la quantité de cellules et de faire en sorte qu'elles ne meurent pas avant la production de l'antibiotique en question. Une fois l'antibiotique produit, il doit être extrait afin de générer un revenu.

Les vitamines sont également produites en grande quantité par fermentation ou biotransformation[2]. La vitamine B 2 (riboflavine), par exemple, est produite des deux façons. La biotransformation est principalement utilisée pour la production de riboflavine, et la source de carbone de départ de cette réaction est le glucose. Il existe quelques souches de micro-organismes qui ont été modifiées pour augmenter le rendement de la riboflavine produite. L'organisme le plus couramment utilisé pour cette réaction est Ashbya gossypii. Le processus de fermentation est un autre moyen courant de produire de la riboflavine. L'organisme le plus couramment utilisé pour la production de riboflavine par fermentation est Eremothecium ashbyii. Une fois la riboflavine produite, elle doit être extraite du bouillon, ce qui est fait en chauffant les cellules pendant un certain temps, puis les cellules peuvent être filtrées de la solution. La riboflavine est ensuite purifiée et commercialisée comme produit final[3].

La biotransformation microbienne peut être utilisée pour produire des médicaments stéroïdiens. Les stéroïdes peuvent être consommés par voie orale ou par injection. Les stéroïdes jouent un rôle important dans la lutte contre l'arthrite. La cortisone est un médicament anti-inflammatoire qui lutte contre l'arthrite, ainsi que contre plusieurs maladies de la peau. Un autre stéroïde utilisé est la testostérone, qui a été produite à partir de la déhydroépiandrostérone en utilisant l'espèce Corynebacterium[4].

La demande de produits agricoles est en constante augmentation, ce qui nécessite l'utilisation de divers engrais et pesticides. L'utilisation excessive d'engrais chimiques et de pesticides a des effets à long terme. En raison de l'utilisation excessive d'engrais chimiques et de pesticides, le sol devient infertile et ne peut plus être utilisé pour la culture. Dans ce cas, les biofertilisants, les biopesticides et l'agriculture biologique viennent à la rescousse.

Un biopesticide est un pesticide dérivé d'un organisme vivant ou de substances d'origine naturelle. Les pesticides biochimiques peuvent également être produits à partir de substances d'origine naturelle qui peuvent contrôler les populations de parasites de manière non toxique[6]. Les insecticides à base d'ail et de poivre sont un exemple de pesticide biochimique. Ils agissent en repoussant les insectes de l'endroit souhaité. Les pesticides microbiens, généralement constitués d'un virus, d'une bactérie ou d'un champignon, sont utilisés pour contrôler les populations de parasites de manière plus spécifique. Le microbe le plus couramment utilisé pour la production de biopesticides microbiens est le Bacillus thuringiensis. Cette bactérie sporulée produit une delta-endotoxine qui empêche l'insecte ou le ravageur de se nourrir de la culture ou de la plante, car l'endotoxine détruit la paroi de son système digestif.

Schéma de workflow pour l'optimisation de l'usine microbienne.

La synthèse des acides aminés et des solvants organiques peut également être réalisée à l'aide de microbes. La synthèse d'acides aminés essentiels tels que la L-méthionine, la L-lysine, le L-tryptophane et l'acide aminé non essentiel L-glutamine est utilisée aujourd'hui principalement dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique. La production de ces acides aminés est due à Corynebacterium glutamicum et à la fermentation. C.glutamicum a été modifié pour être capable de produire de la L-lysine et de l'acide L-glutamique en grande quantité[7]. L'acide L-glutamique a fait l'objet d'une forte demande de production car cet acide aminé est utilisé pour produire du glutamate monosodique, un agent aromatisant alimentaire. En 2012, la production totale d'acide L-glutamique s'élevait à 2,2 millions de tonnes et est produite par une technique de fermentation submergée inoculée par C.glutamicum. La L-Lysine était à l'origine produite à partir de l'acide diaminopimélique par E.coli. Cependant, dès que le C.glutamicum a été découvert pour la production d'acide L-Glutamique. Cet organisme et d'autres autotrophes ont ensuite été modifiés pour produire d'autres acides aminés tels que la lysine, la méthionine, l'aspartate, l'isoleucine et la thréonine. La L-Lysine est utilisée pour l'alimentation des porcs et des poulets, ainsi que pour traiter les carences en nutriments, augmenter l'énergie d'un patient, et parfois utilisée pour traiter les infections virales. Le L-Tryptophane est également produit par fermentation et par Corynebacterium et E.coli, bien que la production ne soit pas aussi importante que celle des autres acides aminés, il est tout de même produit à des fins pharmaceutiques car il peut être converti et utilisé pour produire des neurotransmetteurs.

La production de solvants organiques tels que l'acétone, le butanol et l'isopropanol par fermentation a été l'une des premières choses à être produites en utilisant des bactéries, puisque la chiralité nécessaire des produits est facilement obtenue en utilisant des organismes vivants[8]. La fermentation par solvant utilise une série d'espèces bactériennes Clostridia. Au début, la fermentation par solvant n'était pas aussi productive qu'aujourd'hui. La quantité de bactéries nécessaires pour obtenir un produit était élevée, et le rendement réel du produit était faible. Plus tard, on a découvert des avancées technologiques qui ont permis aux scientifiques de modifier génétiquement ces souches afin d'obtenir un rendement plus élevé pour ces solvants. Ces souches de Clostridium ont été transformées pour avoir des copies supplémentaires de gènes d'enzymes nécessaires à la production de solvants, ainsi que pour être plus tolérantes à des concentrations plus élevées du solvant produit, puisque ces bactéries ont une gamme de produits dans laquelle elles peuvent survivre avant que l'environnement ne devienne toxique[9]. L'obtention d'un plus grand nombre de souches capables d'utiliser d'autres substrats était également un autre moyen d'accroître la productivité de ces bactéries.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Industrial microbiology » (voir la liste des auteurs).