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Les domaines d'applications des bioréacteurs sont variés et nombreux, allant de la recherche fondamentale à l'ingénierie en biochimie, en passant par l'industrie du textile ou encore le recyclage des déchets ménagers. Le principe de base de ces dispositifs est d'utiliser un milieu biologique actif pour multiplier des micro-organismes en contrôlant les conditions de culture. Il s'agit donc de containers aptes à la réalisation et l'optimisation des réactions biochimiques souhaitées, afin de produire de la biomasse, des métabolites ou encore la bioconversion d'une molécule d'intérêt. Les produits de fabrication sont nombreux : la bière, les yaourts et additifs alimentaires, mais aussi les vaccins, antibiotiques, anticorps, vitamines et acides organiques pour n'en citer que quelques-uns.
Pourquoi des biofilms ?
Les récentes études dans le domaine de la biologie synthétique s'intéressent aux avantages que pourrait apporter l'utilisation de biofilms dans les réacteurs. On appelle biofilm toute communauté de bactéries vivant ensemble, et qui adhèrent entre elles et à une interface via la sécrétion d'une matrice adhésive et protectrice. Les biofilms se forment naturellement sur différentes surfaces vivantes ou non-vivantes, telles que les roches immergées, la nourriture, les implants médicaux etc, et présentent dans ces cas de sérieux risques pour la santé. D'un point de vue industriel par contre, le développement contrôlé de biofilms dans des réacteurs pourrait offrir une alternative aux carburants actuels en permettant la production de propanol ou butanol par exemple. Le consortium des différentes cellules du biofilm permet de réaliser des transformations plus complexes que dans des monocultures, et offre une meilleure résistance aux attaques extérieures. Ainsi, en cas de dysfonctionnement du bioréacteur, le biofilm reste robuste et les microorganismes produits ne sont pas perdus. Les biofilms sont donc prometteurs dans les domaines de la bioremédiation et pour les transformations chimiques utilisées dans les bioraffineries. Cependant, le contrôle de leur formation et en particulier de leur dispersion est difficile, et constitue un challenge majeur pour les spécialistes à ce jour.
Les travaux de l'université du Texas A&M
Récemment, les chercheurs du département d'ingénierie chimie de l'université du Texas A&M ont significativement progressé dans la maitrise des biofilms. L'idée novatrice de leur travail est d'utiliser la façon dont les bactéries communiquent entre elles. Ils synthétisent pour cela de nouvelles protéines qui leur permettent de créer des biofilms en manipulant des signaux extra et intracellulaires et des régulateurs. Leur méthode permet de commander non seulement la formation, mais aussi la destruction du biofilm.
Ainsi, ils ont développé un dispositif microfluidique dans lequel ils forment un biofilm robuste comportant deux types de cellules synthétiques. Le premier type de cellules est introduit initialement dans le circuit, tandis que le second (correspondant aux "disperseurs") est incorporé dans un deuxième temps dans le biofilm initial grâce à un moyen de communication entre les deux types de cellules. La destruction du biofilm est permise par l'émission d'un signal extra-cellulaire par les cellules dispersives : ce signal provoque le déplacement du premier type de cellule dans le biofilm. Les cellules dispersives sont ensuite elles-mêmes éliminées via un commutateur induit chimiquement.
Dans une de leur expérience, ils utilisent par exemple des cellules E. coli qu'ils ont dotées d'un signal chimique provenant d'une autre bactérie pour jouer le rôle des cellules dispersives. Afin que l'émission de ce signal soit continue, ils y ont aussi intégré un "commutateur on-off". Ces cellules E. coli ainsi génétiquement modifiées sont alors capables de disperser les bactéries du biofilm dans lequel elles sont insérées, dès lors que ces dernières reçoivent ce signal chimique. Ce biofilm doit donc aussi être modifié génétiquement afin que les bactéries soient capables de recevoir le signal.
Il est donc possible de commander la formation et la dispersion de biofilms, grâce à la synthèse de nouvelles protéines que l'on aura dotées des propriétés de communication adéquates. Le dispositif proposé par les chercheurs de Texas A&M ouvre donc la voie aux futures applications nécessitant la fabrication de différents types de cellules telles que dans les bioraffineries.
Pourquoi des biofilms ?
Les récentes études dans le domaine de la biologie synthétique s'intéressent aux avantages que pourrait apporter l'utilisation de biofilms dans les réacteurs. On appelle biofilm toute communauté de bactéries vivant ensemble, et qui adhèrent entre elles et à une interface via la sécrétion d'une matrice adhésive et protectrice. Les biofilms se forment naturellement sur différentes surfaces vivantes ou non-vivantes, telles que les roches immergées, la nourriture, les implants médicaux etc, et présentent dans ces cas de sérieux risques pour la santé. D'un point de vue industriel par contre, le développement contrôlé de biofilms dans des réacteurs pourrait offrir une alternative aux carburants actuels en permettant la production de propanol ou butanol par exemple. Le consortium des différentes cellules du biofilm permet de réaliser des transformations plus complexes que dans des monocultures, et offre une meilleure résistance aux attaques extérieures. Ainsi, en cas de dysfonctionnement du bioréacteur, le biofilm reste robuste et les microorganismes produits ne sont pas perdus. Les biofilms sont donc prometteurs dans les domaines de la bioremédiation et pour les transformations chimiques utilisées dans les bioraffineries. Cependant, le contrôle de leur formation et en particulier de leur dispersion est difficile, et constitue un challenge majeur pour les spécialistes à ce jour.
Les travaux de l'université du Texas A&M
Récemment, les chercheurs du département d'ingénierie chimie de l'université du Texas A&M ont significativement progressé dans la maitrise des biofilms. L'idée novatrice de leur travail est d'utiliser la façon dont les bactéries communiquent entre elles. Ils synthétisent pour cela de nouvelles protéines qui leur permettent de créer des biofilms en manipulant des signaux extra et intracellulaires et des régulateurs. Leur méthode permet de commander non seulement la formation, mais aussi la destruction du biofilm.
Ainsi, ils ont développé un dispositif microfluidique dans lequel ils forment un biofilm robuste comportant deux types de cellules synthétiques. Le premier type de cellules est introduit initialement dans le circuit, tandis que le second (correspondant aux "disperseurs") est incorporé dans un deuxième temps dans le biofilm initial grâce à un moyen de communication entre les deux types de cellules. La destruction du biofilm est permise par l'émission d'un signal extra-cellulaire par les cellules dispersives : ce signal provoque le déplacement du premier type de cellule dans le biofilm. Les cellules dispersives sont ensuite elles-mêmes éliminées via un commutateur induit chimiquement.
Dans une de leur expérience, ils utilisent par exemple des cellules E. coli qu'ils ont dotées d'un signal chimique provenant d'une autre bactérie pour jouer le rôle des cellules dispersives. Afin que l'émission de ce signal soit continue, ils y ont aussi intégré un "commutateur on-off". Ces cellules E. coli ainsi génétiquement modifiées sont alors capables de disperser les bactéries du biofilm dans lequel elles sont insérées, dès lors que ces dernières reçoivent ce signal chimique. Ce biofilm doit donc aussi être modifié génétiquement afin que les bactéries soient capables de recevoir le signal.
Il est donc possible de commander la formation et la dispersion de biofilms, grâce à la synthèse de nouvelles protéines que l'on aura dotées des propriétés de communication adéquates. Le dispositif proposé par les chercheurs de Texas A&M ouvre donc la voie aux futures applications nécessitant la fabrication de différents types de cellules telles que dans les bioraffineries.
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