Valorisation

Principes généraux de valorisation

Les collections de procaryotes isolés à partir d’échantillons prélevés en milieux extrêmes constituent un produit direct de l’activité de recherche. La constitution de la collection Ifremer répondait à un objectif prioritaire en vue d’applications biotechnologiques. L’UMR 6197 hérite de la gestion des collections issues de chacune de ses composantes. Elle constitue à ce titre l’un des seuls laboratoires au monde disposant d’une collection de procaryotes issus de milieux extrêmes océaniques. La valorisation du potentiel biotechnologique de cette collection constitue un objectif important.

La valorisation du potentiel biotechnologique des collections issues des apports Ifremer et CNRS/UBO repose sur un principe simple qui permet d’assurer la compatibilité des objectifs de recherche et des objectifs de valorisation. Appliquée dans un premier temps à la composante Ifremer, les souches microbiennes isolées et présentant un intérêt taxonomique et pouvant, après caractérisation, faire l’objet de publications sont réservées dans un premier temps à la recherche académique. Toutes les autres souches isolées sont communiquées au(x) partenaires(s) industriels pour valorisation industrielle éventuelle. Pour les enzymes, l’Ifremer a établi un partenariat exclusif avec la société Protéus qui prend en charge les criblages d’activités ultérieurs en fonction de ses propres contrats. I’Ifremer a établi un second partenariat avec la société Seadev pour les glycoconjugués et les métabolites secondaires. Pour la composante CNRS/UBO, la collection est très majoritairement libre de droits. Les souches isolées à compter de la création de l’UMR 6197 sont co-propriété de l’UBO, du CNRS et de l’Ifremer selon une clé directement fonction des moyens mobilisés par chaque composante pour les obtenir. La valorisation des souches rentrant dans la collection commune implique qu’une plate-forme commune de valorisation soit prochainement adoptée par l’UBO (Bretagne Valorisation), le CNRS et l’Ifremer dans le cadre de la convention constitutive¸ et mise en œuvre au niveau de l’UMR 6197.
Les collections de procaryotes extrêmes de l’Ifremer, de l’UBO/CNRS, ainsi que les collections de l’ESMISAB et de microalgues du CNRS de Roscoff ont été regroupées au sein d’une souchothèque commune, la Souchothèque de Bretagne, dans le cadre du CPER 2000-2006.

Les applications en biotechnologies.

Les sources hydrothermales profondes comportent des milieux extrêmement divers. En effet, depuis l’eau de mer environnante et les sédiments superficiels avoisinants à 2°C jusqu’aux zones chaudes des fumeurs, il existe des gradients thermiques qui permettent le développement de psychrophiles, de mésophiles et de thermophiles. Dans cette gamme, de nombreux procaryotes ont été isolés, dont le potentiel d’application est très varié. Les applications biotechnologiques que l’on peut en faire portent sur quelques grandes familles de produits : les enzymes, les exopolysaccharides et les métabolites secondaires.

Les enzymes.

Les enzymes sont des macromolécules de nature protéique caractérisées par leur activité catalytique qui gouverne des réactions biochimiques spécifiques au sein de l’organisme. Du fait de leur nature protéique, les enzymes sont codées par des gènes présents dans le génome de l’organisme hôte et peuvent bénéficier de l’ensemble de la technologie de l’ADN recombinant à des fins de modification et d’amélioration si nécessaire.
Le marché global des enzymes industrielles et de spécialité conserve une forte croissance. Estimé à 3,6 milliards de dollars en l’an 2000, à 4,1 en 2006, il devrait atteindre 6 milliards de dollars en 2011, soit une croissance moyenne de l’ordre de 7,6% par an pour les quatre prochaines années. En 2000, moins de 30 enzymes comptaient pour plus de 90% des enzymes industrielles utilisées. La tendance actuelle est au développement d’enzymes de spécialités, dont les marchés cumulés devraient à terme dépasser celui des enzymes industrielles. Les carbohydrases devraient connaître la plus forte croissance du fait de leur usage dans les industries pharmaceutiques, agroalimentaires et dans la production d’éthanol.
Cependant, les enzymes sont en majorité fragiles, d’où la recherche d’enzymes de substitution plus robustes (température, pH et pression). Celles issues des microorganismes des sources hydrothermales présentent a priori un potentiel important en raison de leur thermostabilité. Les applications industrielles effectives des enzymes des microorganismes des sources hydrothermales sont pour l’instant, encore relativement peu nombreuses. Plusieurs entreprises de biotechnologies telles que Verenium (ex-Diversa) aux Etats-Unis, Prokarya en Islande et Protéus en France sont impliquées dans ce secteur et sont susceptibles de faire évoluer la situation. Leur capacité de criblage d’activités enzymatiques et la maîtrise des moyens techniques d’améliorer les enzymes natives par la technologie de l’évolution dirigée offrent des possibilités d’identification et de design d’enzymes aux performances inégalées. La montée en puissance des « technologies blanches» destinées dans l’industrie chimique à remplacer des process à fort impact sur l’environnement devrait renforcer l’intérêt des enzymes issues des extrêmophiles.

Les enzymes de biologie moléculaire.
La technologie de l’ADN recombinant est basée sur l’utilisation d’outils moléculaires capables de couper, réparer, copier, ligaturer des fragments d’ADN in vitro. La révolution moléculaire ainsi que celle de la génomique de ces trente dernières années reposent notamment sur ces outils. La contribution des enzymes des thermophiles est essentielle pour les réactions d’amplification d’ADN in vitro (PCR) et pour le séquençage. Pour la PCR, la clé du système réside dans l’utilisation d’ADN polymérases thermostables, capables de supporter les nombreux cycles de montée en température jusqu’à 94°C, indispensable pour dénaturer l’ADN double brin. La première ADN polymérase thermostable a d’abord été extraite d’une bactérie thermophile, Thermus aquaticus. Les limites de la Taq et en particulier le nombre d’erreurs faites en dupliquant le brin matrice ont incité à en améliorer les performances, et encouragé la recherche d’autres ADN polymérases plus performantes. L’une des réponses a été fournie par un groupe d’archées hyperthermophiles, celui des Thermococcales auquel appartiennent les genres Pyrococcus et Thermococcus principalement issues des sources hydrothermales. P. abyssi et de nombreux Thermococcus ont ainsi été isolés de sources hydrothermales profondes et leurs ADN polymérases possèdent une thermostabilité supérieure à celle des Thermus et surtout, présentent une fidélité de 2 à 10 fois supérieure. Ces enzymes sont en conséquence recommandées pour les applications nécessitant de limiter au maximum la fréquence d’erreurs.
La composante Ifremer de l’UMR 6197 a cloné et caractérisé les ADN polymérases de la famille B de Thermococcus fumicolans et de Pyrococcus abyssi. Ces enzymes ont été développées, dans le cadre d’un partenariat avec MPBiomedicals (anciennement Qbiogene). L’ADN polymérase de P. abyssi est commercialisée sous l’appellation IsisTM. Une version dépourvue de l’activité exonucléase 3’-5’ est également commercialisée sous l’appellation PyrATM.

Les exopolysaccharides ou EPS.
Les polysaccharides peuvent être définis comme de longues molécules formées de l’enchaînement de motifs similaires en l’occurrence de glucides appelés couramment sucres. Initialement dominé par les gommes d’origine végétale et algale, le marché s’ouvre également aux polysaccharides bactériens. En milieu marin, cette production semble être majoritairement le fait de souches appartenant aux genres Alteromonas, Pseudoaltéromonas, Shewanella et Vibrio. Chez les bactéries, ces polysaccharides sont présents au niveau de la paroi cellulaire, constituant essentiel des lipopolysaccharides (LPS), à l’extérieur de la cellule liée à cette même cellule (polysaccharide capsulaire) soit encore relargué dans le milieu de culture sous forme d’exopolysaccharides (EPS).
En termes d’exploitation biotechnologique, les exopolysaccharides bactériens présentent quelques atouts comme l’absence de dépendance vis à vis d’aléas climatiques, écologiques et politiques pouvant affecter la qualité, le coût et l’approvisionnement de leurs homologues extraits d’algues ou de plantes. De plus les possibilités d’agir sur les conditions de fermentation (sources de carbone, température, aération, pH, etc...) en vue d’optimiser la production, d’assurer la traçabilité, mais aussi de modifier le polymère produit, jouent en faveur de la fermentation bactérienne. Ces polymères présentent enfin un degré de régularité de structure plus important et peuvent être extraits et purifiés sans l’utilisation de conditions drastiques.
Dans l’optique de la mise en évidence de nouveaux micro-organismes producteurs, les environnements extrêmes et en particulier les sources marines hydrothermales profondes constituent un champ d’investigation privilégié pour cette recherche de nouvelles espèces et de biomolécules aux propriétés originales.
A ce jour, le résultat le plus marquant du travail très partiel de criblage de la collection Ifremer et de caractérisation, reste sans nul doute la mise en évidence de structures polysaccharidiques complexes (linéaires et multi-ramifiées), la caractérisation de sucres originaux, la mise sur le marché d’un exopolysaccharide dans le domaine de la cosmétique, la mise en œuvre de nouvelles techniques de modifications de ces polymères et la découverte d’un polysaccharide présentant de fortes similitudes de structure avec l’acide hyaluronique. Ce dernier polysaccharide a démontré des propriétés très intéressantes en terme de régénération osseuse et dermique laissant entrevoir un développement rapide dans le domaine des biomatériaux.
L’ensemble des travaux menés sur les EPS est réalisé au laboratoire Biotechnologie et Molécules Marines (BMM) de l’Ifremer, en coopération avec l’UMR 6197 pour les aspects relevant de la collection de procaryotes.

Les métabolites secondaires
Cet ensemble de molécules n’a pas pour l’instant fait l’objet de recherches au sein de l’UMR 6197. Il constitue néanmoins une source potentielle de produits intéressants pour les applications biotechnologiques.