Principales différences physiologiques entre les micro-organismes producteurs d'enzymes et ceux producteurs d'antibiotiques
Sensibilité à l'oxygène et au pH chez les actinomycètes et les bacilles
Les actinomycètes producteurs d'antibiotiques (par exemple, Streptomyces) et les souches de Bacillus productrices d'enzymes présentent des différences notables en matière de tolérance environnementale. Les actinomycètes nécessitent des niveaux d'oxygène dissous (OD) supérieurs à 30 % et un pH voisin de la neutralité (7,0 à 7,5) pour assurer une synthèse optimale d'antibiotiques tels que la streptomycine. Les actinomycètes possèdent une morphologie filamenteuse, ce qui entraîne une diffusion insuffisante de l'oxygène dans les filaments. En revanche, les souches de Bacillus tolèrent généralement des niveaux d'OD compris entre 20 et 30 % et des dérives alcalines (pH de 6,5 à 8,0) durant la production de protéases. Les souches de Bacillus présentent une morphologie bacillaire, ce qui confère une grande efficacité d'absorption de l'oxygène. Ces contraintes physiologiques fournissent des indications précieuses aux concepteurs de fermenteurs microbiens concernant la conception du système d'aération et des régulateurs de pH.
Type de micro-organisme Exigence en oxygène Plage de pH optimale Produit
Actinomycètes Saturation en OD > 30 % 7,0-7,5 Pénicilline, streptomycine
Bacillus Saturation en OD de 20-30 % 6,5-8,0 Protéases, amylases
Dynamique de la formation des produits associés à la croissance et non associés à la croissance
La production d'enzymes (protéases recombinantes) est fortement associée à la croissance et atteint un pic pendant la phase exponentielle, où l’absorption des nutriments est intense et, par conséquent, le rendement métabolique plus élevé. La majorité (plus de 70 %) des enzymes industrielles facilement disponibles proviennent de souches de Bacillus durant la phase exponentielle de croissance. En revanche, la production d’antibiotiques s’effectue pendant la phase stationnaire du cycle. Cette phase stationnaire est caractérisée par un métabolisme secondaire non associé à la croissance. Durant cette phase, des bactéries filamenteuses (p. ex., actinomycètes)
Caractéristiques de conception des fermenteurs microbiens destinés à maximiser la production d’antibiotiques
Conception des fermenteurs destinés à produire de la pénicilline G et de la streptomycine
Pour synthétiser des antibiotiques, le processus environnemental de fermentation des actinomycètes doit être très exigeant. Pour la synthèse de la pénicilline G, il faut une saturation de l'oxygène dissous supérieure à 30%, alors que pour la streptomycine, l'oxygène dissous doit être contrôlé à moins de 20%, ce qui peut entraîner une réduction du rendement de 40 à 60%. (Journal de bio-processage, 2023) Le processus de métabolisme de la pénicilline cesse à 6,5 à 7,0. Au-delà de 7,8 à 8,2, le processus de streptomycine cesse également. Les fermentateurs modernes s'attaquent au défi de maintenir des niveaux d'oxygène appropriés grâce à l'utilisation conjointe de turbines et de systèmes de fertilisation. Les fermentateurs utilisent des sondes automatisées intégrées qui peuvent s'auto-corriger en ajoutant du CO2 ou de la base pour contrer le pH de l'effondrement résultant de l'accumulation d'acide organique.
Extensions du métabolisme secondaire par le changement de mode de lot
La formation des antibiotiques intervient au stade terminal du métabolisme secondaire, pendant la phase stationnaire. La synthèse de la pénicilline et de la pénicilline G a lieu lorsque la concentration de glucose est maintenue à moins de 0,5 g/L afin d’éviter l’interruption des voies biosynthétiques. La phase de production est prolongée de plus de 40 à 60 heures, tandis que le rendement augmente jusqu’à 50 % par rapport au procédé traditionnel en batch. Les sous-produits issus du processus de fermentation s’accumulent, ce qui peut nuire au bon déroulement de l’opération. La synthèse des antibiotiques constitue la priorité principale, et l’énergie cellulaire est orientée vers cette synthèse.
Bonnes pratiques de configuration des fermenteurs microbiens pour la fabrication d’enzymes thérapeutiques
Conception d’agitateur à faible cisaillement et stratégies de régulation du pH (pH-stat) pour assurer la stabilité des protéases recombinantes
Lors de la production d'enzymes thérapeutiques telles que les protéases recombinantes, des configurations spécialisées de bioréacteurs sont nécessaires afin d'éviter la dégradation structurale. Des conceptions d’agitateurs à faible cisaillement, telles que les turbines à pales inclinées et les hydrofoils, permettent efficacement de préserver l’intégrité des protéines et d’éviter une perte d’activité des protéases. Un système de contrôle pH-stat, qui maintient la plage de pH entre 6,5 et 7,5 pour les protéases en ajustant automatiquement les quantités d’acide et de base ajoutées, constitue un équipement indispensable du système. Un mauvais contrôle du pH entraîne des modifications conformationnelles liées au pH, ce qui inhibe fortement l’activité des protéases, pouvant même atteindre une réduction de 50 % au cours d’un seul cycle. Lorsqu’elles sont combinées, ces deux solutions augmentent considérablement le rendement et garantissent que le produit est conforme aux réglementations en vigueur dans le secteur.
Choisir le type de bioréacteur microbien adapté à une échelle donnée, à un cadre juridique spécifique et à un résultat attendu
La sélection du bon fermentateur microbien repose sur l'alignement de trois variables : l'échelle de production, les contraintes réglementaires et les caractéristiques de la production attendue. Aux niveaux les plus faibles de production, les projets de recherche et les projets pilotes utilisent des systèmes petits et modulaires, tandis qu’aux niveaux les plus élevés, la recherche sur la production industrielle d’antibiotiques fait appel à de grands réacteurs agités équipés de stérilisation automatique afin de répondre aux nombreuses exigences des produits pharmaceutiques modernes. Aux niveaux les plus élevés de production, la fabrication d’enzymes thérapeutiques à haute valeur ajoutée s’oppose à celle de métabolites produisables en grande quantité, respectivement grâce à l’utilisation d’agitateurs à faible cisaillement et de turbines de Rushton à haut transfert d’oxygène. Des données montrent que, dans 34 % des cas d’échec de transfert technologique entre les projets de recherche et la production, ce sont des inadéquations entre l’échelle de production et la technologie employée qui conduisent à l’échec des projets de fermentation. Il est donc raisonnable d’affirmer que la réussite de la mise en œuvre dépend fortement de la conformité, du rendement et de l’efficacité opérationnelle intégrées dès les premières étapes de conception du système.
FAQ
Quels facteurs environnementaux influencent la production d’antibiotiques et d’enzymes ?
Pour la biosynthèse des antibiotiques, les actinomycètes nécessitent un taux suffisant d’oxygène dissous (> 30 % de saturation) et un pH neutre compris entre 7,0 et 7,5. Les souches de Bacillus productrices d’enzymes préfèrent des niveaux modérés d’oxygène dissous (20–30 %) et un pH alcalin compris entre 6,5 et 8,0.
Quelle est la différence entre une production associée à la croissance et une production non associée à la croissance ?
La production associée à la croissance correspond à la synthèse d’enzymes microbiennes, qui a lieu pendant la phase exponentielle, tandis que la production d’antibiotiques, survenant pendant la phase stationnaire, constitue un exemple de production non associée à la croissance.
Quelles configurations de bioréacteurs permettent une production à haut rendement d’antibiotiques ?
Les bioréacteurs à cuve agitée équipés d’agitateurs à turbine (associés à un bon contrôle de l’oxygène dissous et du pH) constituent le meilleur choix pour la production d’antibiotiques tels que la pénicilline et la streptomycine. Les stratégies en alimentation discontinue (fed-batch), qui prolongent la phase stationnaire de production, permettent les plus fortes augmentations de rendement.
Comment le fermenteur est-il conçu pour la production d’enzymes thérapeutiques ?
Dans la production d’enzymes thérapeutiques, des turbines à faible cisaillement sont utilisées afin d’éviter la dénaturation des protéines. En outre, pour maintenir la stabilité de l’enzyme dans la fourchette de pH comprise entre 6,5 et 7,5, un système avancé de régulation du pH (pH-stat) est mis en œuvre.
Pourquoi le choix du fermenteur pour le procédé microbien est-il important ?
Le choix des fermenteurs est étroitement lié à l’échelle de production, à la réflexion logique sur le rendement du procédé et à la fabrication des étapes commercialisables, compte tenu des contraintes réglementaires.