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5.13D : Polyesters bactériens - Biologie

5.13D : Polyesters bactériens - Biologie


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Les polyhydroxyalcanoates ou PHA sont des polyesters linéaires produits dans la nature par fermentation bactérienne de sucre ou de lipides.

Objectifs d'apprentissage

  • Résumer le processus de production de PHA et ses applications

Points clés

  • Pour produire du PHA, une culture d'un micro-organisme tel qu'Alcaligenes eutrophus est placée dans un milieu approprié et alimentée en nutriments appropriés afin qu'elle se multiplie rapidement.
  • Les PHA synthases sont les enzymes clés de la biosynthèse des PHA.
  • Il existe des applications potentielles pour le PHA produit par des micro-organismes dans les industries médicales et pharmaceutiques, principalement en raison de leur biodégradabilité.

Mots clés

  • Polyhydroxyalcanoates: Les polyhydroxyalcanoates ou PHA sont des polyesters linéaires produits dans la nature par fermentation bactérienne de sucre ou de lipides.
  • fermentation: N'importe laquelle des nombreuses réactions biochimiques anaérobies dans lesquelles une enzyme (ou plusieurs enzymes produites par un micro-organisme) catalyse la conversion d'une substance en une autre; en particulier la conversion (à l'aide de levure) des sucres en alcool ou en acide acétique avec dégagement de dioxyde de carbone.
  • biodégradabilité: Capacité d'un matériau à se décomposer dans le temps sous l'effet d'une activité biologique, notamment à être décomposé par des micro-organismes

Les polyhydroxyalcanoates, ou PHA, sont des polyesters linéaires produits dans la nature par fermentation bactérienne de sucre ou de lipides. Ils sont produits par les bactéries pour stocker du carbone et de l'énergie. Plus de 150 monomères différents peuvent être combinés au sein de cette famille pour conférer aux matériaux des propriétés extrêmement diverses. Ces plastiques sont biodégradables et sont utilisés dans la production de bioplastiques. Ils peuvent être des matériaux thermoplastiques ou élastomères, avec des points de fusion allant de 40 à 180°C.

Les qualités mécaniques et la biocompatibilité du PHA peuvent également être modifiées en mélangeant, en modifiant la surface ou en combinant le PHA avec d'autres polymères, enzymes et matériaux inorganiques, ce qui permet un plus large éventail d'applications.

PROCESSUS DE PRODUCTION DE PHA

Pour produire du PHA, une culture d'un micro-organisme tel qu'Alcaligenes eutrophus est placée dans un milieu approprié et alimentée en nutriments appropriés afin qu'elle se multiplie rapidement. La biosynthèse du PHA est généralement causée par certaines conditions de carence (par exemple, le manque de macro-éléments tels que le phosphore, l'azote, les oligo-éléments ou le manque d'oxygène) et l'apport excessif de sources de carbone. Recombinants Bacillus subtilis str. pBE2C1 et Bacillus subtilis str. pBE2C1AB ont été utilisés dans la production de polyhydroxyalcanoates (PHA) et il a été démontré qu'ils pouvaient utiliser des déchets de malt comme source de carbone pour un coût de production de PHA inférieur. Comme matière première pour la fermentation, des glucides tels que le glucose et le saccharose peuvent être utilisés, mais aussi de l'huile végétale ou de la glycérine issue de la production de biodiesel. Les chercheurs de l'industrie travaillent sur des méthodes avec lesquelles seront développées des cultures transgéniques qui expriment les voies de synthèse du PHA à partir de bactéries et produisent ainsi du PHA comme stockage d'énergie dans leurs tissus. Un autre groupe de chercheurs de Micromidas travaille au développement de méthodes de production de PHA à partir des eaux usées municipales. Une autre synthèse à plus grande échelle peut être réalisée à l'aide d'organismes du sol. Faute d'azote et de phosphore, ils produisent un kilogramme de PHA à partir de trois kilogrammes de sucre.

Les polyesters se déposent sous forme de granulés hautement réfractifs dans les cellules. Selon le micro-organisme et les conditions de culture, des homo- ou copolyesters avec différents acides hydroxyalcaniques sont générés. Les granules de PHA sont ensuite récupérés par rupture des cellules. Dans la production industrielle de PHA, le polyester est extrait et purifié des bactéries en optimisant les conditions de fermentation microbienne du sucre ou du glucose. Une fois que la population a atteint un niveau substantiel, la composition en nutriments est modifiée pour forcer le micro-organisme à synthétiser le PHA. Le rendement en PHA obtenu à partir des inclusions intracellulaires peut atteindre 80 % du poids sec de l'organisme.

PHA SYNTASES

Les PHA synthases sont les enzymes clés de la biosynthèse des PHA. Ils utilisent le coenzyme A - thioester d'acides gras (r)-hydroxy comme substrats. Les deux classes de PHA synthases diffèrent par l'utilisation spécifique d'acides gras hydroxylés à chaîne courte ou moyenne. Le PHA résultant est de deux types : Le poly (HA SCL) à partir d'acides gras hydroxylés à chaîne courte comprenant trois à cinq atomes de carbone est synthétisé par de nombreuses bactéries, dont Ralstonia eutropha et Alcaligenes latus (PHB). Le poly (HA MCL) à partir d'acides gras hydroxy avec des longueurs de chaîne moyenne comprenant six à 14 atomes de carbone, peut être fabriqué par exemple par Pseudomonas putida. Quelques bactéries, dont Aeromonas hydrophila et Thiococcus pfennigii, synthétisent un copolyester à partir des deux types d'acides gras hydroxylés ci-dessus. La forme la plus simple et la plus courante de PHA est la production par fermentation de poly-bêta-hydroxybutyrate) (poly-3-hydroxybutyrate, P3HB), qui se compose de 1000 à 30000 monomères d'acide gras hydroxy.

APPLICATIONS PHA

Les PHA sont principalement transformés par moulage par injection, extrusion et bulles d'extrusion en films et corps creux. Un copolymère PHA appelé PHBV (poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalérate)) est moins rigide et plus résistant, et il peut être utilisé comme matériau d'emballage. Il existe également des applications pour le PHA produit par des micro-organismes dans les industries médicales et pharmaceutiques, principalement en raison de leur biodégradabilité. Certaines des applications de fixation et orthopédiques qui ont été conçues pour ces polymères comprennent :

  • sutures et attaches de suture
  • appareils de réparation et de régénération du ménisque
  • rivets, clous, agrafes et vis
  • plaques osseuses et systèmes de plaques osseuses
  • treillis chirurgical, patchs de réparation et patchs cardiovasculaires
  • valves veineuses, échafaudages de moelle osseuse
  • greffes ligamentaires et tendineuses
  • implants de cellules oculaires
  • substituts cutanés, substituts de greffe osseuse et pansements