Gestion génétique et nouveaux processus industriels
Processus biotechnologiques
Les bénéfices que l'être humain a obtenus à travers les processus biologiques ont toujours suscité un intérêt particulier dans la société, tant pour son mystère que pour son caractère artisanal. Ces découvertes sont basées sur l'analyse des résultats de phénomènes naturels communs et propres. Par conséquent, l'être humain n'a pas "produit" ces processus, mais a géré les conditions naturelles pour que ces processus se produisent par eux-mêmes ou plutôt naturellement.
On dit que la découverte de la bière a eu lieu lorsque les phéniciens transportaient la farine dans de grands récipients et ont réalisé que lorsque la farine était mouillée, une série de processus étaient produits et de l'alcool (bière). C'était l'œuvre de Levain. La découverte initiale a été manipulée au fil des ans jusqu'à atteindre le processus que nous connaissons aujourd'hui. L'orge se sent alerte, c'est-à-dire qu'il est "malté", libérant plus de sucre avant la fermentation avec de la levure.
D'autres processus de transformation biologique tels que le fromage, le vin et les antibiotiques ont évolué parallèlement.
Dans tous ces processus, il faut distinguer clairement deux éléments bien distincts: le milieu ou le substrat et le micro-organisme qui a produit l'altération.
Le milieu a besoin des composants chimiques appropriés pour l'assimilation et la transformation. Sa concentration, température, pH, etc. ont une influence fondamentale sur le progrès du processus. En outre, le micro-organisme peut être considéré comme un catalyseur très complexe, coordonnant un grand groupe de réactions. Le potentiel du micro-organisme est très variable et dépend des conditions de réaction.
Nous pouvons donner comme exemple le cas de la bière mentionné ci-dessus. La présence ou l'absence d'oxygène pendant le processus conditionne le résultat final à obtenir, c'est-à-dire si la levure produit une synthèse de matériel cellulosique ou d'alcool.
Compte tenu de ces deux éléments principaux (le milieu et le micro-organisme), et malgré la grande complexité de l'un d'eux, l'homme a réussi à maîtriser les processus biologiques. Cependant, même si l'être humain a su réaliser de la microbiologie, il a recueilli ces processus avec un grand mystère et n'a pas connu jusqu'à récemment le pourquoi et le noyau de ceux-ci.
Au cours de ce siècle, de nombreux mystères ont été découverts sur ces organismes. Les réactions à la base des métabolismes énergétiques ont été diluées dans les années 1930. En 1940, on a découvert la nature chimique de la molécule et l'information cellulaire qu'elle contient, appelée ADN. Par la suite, le code génétique et son mécanisme de retour aux fonctions cellulaires ont été bientôt déchiffrés. Nous sommes encore loin de connaître exactement la complexité de cette fonction cellulaire, mais il est vrai que l'être humain fait de grands et rapides pas pour atteindre cet objectif spectaculaire.
Route de la gestion
Il ya plus de quinze ans que des enzymes bactériennes ont été découvertes pour couper sélectivement séquences très spécifiques de l'ADN. C'était un système pour se défendre des virus attaquant. Chaque bactérie a beaucoup d'enzymes, connus comme endonucléase de coupe comme système immunitaire.
En dehors de ces découvertes, on trouve des enzymes capables d'unir et de réparer les parties de l'ADN touchées. Ces enzymes sont appelés ligases.
Une autre des découvertes de grande importance a été celle des plasmides. Ce sont des fragments ronds d'ADN qui, en dehors des chromosomes, se trouvent en groupes dans la cellule. C'est pourquoi et ne pas être dans le noyau sont appelés ADN satellite.
Les endonucléases de coupe, les ligases et les plasmides sont trois outils de base pour la gestion génétique d'un organisme.
L'ADN d'un organisme, par une endonucléase de coupe, peut être divisé en petits fragments. Le nombre de fragments dépendra des séquences de 4-6 bases connues pour chaque type d'enzyme. Si les parties ont suffisamment de longueur, elles peuvent contenir un ou plusieurs gènes.
Comme l'endonucléase est capable de fragmenter l'ADN, un plasmide circulaire peut "s'ouvrir" et devenir un ADN linéaire, mais en ajoutant une ligase on peut "fermer" à nouveau l'ADN, en réformant la structure circulaire du plasmide. Si cette réparation du plasmide se produisait face aux parties de l'ADN que nous avons mentionnées dans le dernier paragraphe, certains plasmides seraient fermés par la capture d'une ou plusieurs parties de l'ADN linéaire et donc de leurs gènes. En introduisant ce nouveau plasmide à l'intérieur de la cellule, vous pouvez mettre en évidence le nouveau gène qui contient, ajoutant à la cellule une nouvelle fonction fermement.
Cette technique permet de donner de nouvelles caractéristiques aux organismes d'intérêt industriel. Enfin, bien que théoriquement seulement, nous pouvons affirmer qu'aujourd'hui nous pouvons contrôler le processus physiologique, aussi bien à travers les conditions externes que par le potentiel fonctionnel de l'organisme que nous utilisons.
Un processus industriel
Il y a cinq ans, nous avons commencé à Donostia la production de protéines cellulaires à partir du sérum du lait. Ce sous-produit est généré dans le processus de fromage. Être très polluant pose des problèmes.
Notre objectif était d'obtenir une biomasse riche en protéines en générant différentes levures qui consomment du lactose du sérum. Mais bientôt, nous rencontrons un problème de grande importance.
L'augmentation de la levure est liée à l'énergie qui est généré dans votre métabolisme. Cette énergie peut donc être investie dans la fabrication du matériel cellulaire, c'est-à-dire dans sa croissance.
La molécule qui sert à transférer cette énergie du lieu de génération à la consommation finale est ATP.
Quand la molécule de sucre (glucose) entre dans la cellule, on suit une chaîne de 10 réactions qui s'oxyde en formant deux molécules d'acide piruvique et deux d'ATP. Si la cellule contient de l'oxygène, l'acide pyruvique continue à oxyder jusqu'à donner CO 2 et génère 36 autres molécules d'ATP. Si vous n'avez pas d'oxygène, le pyruvate ne rouille pas. Il est réduit pour produire de l'éthanol (Rappelons le processus de la bière).
Comme nous l'avons dit précédemment, le lecteur peut conclure que les cellules lorsqu'elles transportent de l'oxygène sont mieux exploitées que lorsqu'elles manquent, et donc croissent plus. Cela nous oblige à concevoir des réacteurs de fermentation à ventilation forcée pour produire de la levure.
Cependant, même en présence d'oxygène, nous avons vu que la fermentation du sérum produit de l'alcool. Quand on définit l'étude, on découvre que dans les grandes concentrations de sucre en sérum (40-60 g l -1), la première réaction produit du pyruvate à grande vitesse. Ce flux de production de pyruvate est très élevé par rapport à celui qui consomme les réactions contenant de l'oxygène, ce qui produit un effet "débordement" lorsque l'alcool est produit comme addition.
Dans ce problème, nous appliquons une solution simple : nous diluons le sérum pour réduire la concentration de sucre. Aujourd'hui, nous avons des modèles mathématiques pour nourrir le réacteur avec du sérum et nous avons eu de bonnes conséquences. Cependant, il existe une autre possibilité, qui est également plus bénéfique du point de vue pratique et scientifique.
Avant de métaboliser à l'intérieur de la cellule, le sucre du sérum est transporté à l'intérieur par une protéine spéciale appelée perméase.
Le système de transport du lactose avec la perméase augmente sa capacité à mesure que la concentration de sucre augmente, de sorte que de hautes concentrations de sucre sont ajoutés molécules de perméase pour transporter le lactose à l'intérieur de la cellule. C'est l'effet de débordement du pyruvate mentionné ci-dessus. Le gène de la perméase de lactose et l'une de nos séquences ont été isolés (R. C. Dickson) l'a déchiffré. Notre objectif suivant est d'introduire quelques changements : gérer la synthèse de la molécule de perméase (pour donner une réponse plus faible avec d'autres captations de sucre, en évitant l'effet de débordement) en marge de la récolte de sucre que porte le sérum. Une fois cet objectif atteint, nous entrerons dans la levure afin que le nouveau gène prévale et non le sien.
De cette façon, nous obtiendrons une grande quantité de biomasse riche en protéines, en évitant les mécanismes conventionnels et en utilisant un type de contrôle spécifique propre au micro-organisme. Sans aucun doute, nous sommes au début des nouvelles conceptions de processus biotechnologiques, et d'où émergeront des nouveautés intéressantes et beaucoup d'informations précieuses pour l'avenir.
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