Biotechnologie Des Extrêmophiles

Biotechnologie des extrêmophiles
par Joël QUÉRELLOU

Directeur de recherche
UMR 6197 Ifremer/CNRS/UBO (Brest)
et Jean GUÉZENNEC
Responsable du programme biotechnologies marines
Ifremer, centre de Brest
1. Extrêmophiles............................................................................................ BIO 580 - 2

1.1 Environnements extrêmes et extrêmophiles............................................. — 2
1.2 Biodiversité exceptionnelle. Collections limitées ...................................... — 3
1.3 Accessibilité inégale .................................................................................... — 5
2. Propriétés des extrêmophiles ............................................................... — 5
2.1 Stabilité des constituants cellulaires .......................................................... — 5
2.2 Osmoadaptation........................................................................................... — 6
2.3 Adaptation aux pH extrêmes ...................................................................... — 6
3. Applications biotechnologiques .......................................................... — 6
3.1 Méthodes d’obtention des actifs biotechnologiques ................................ — 6
3.2 Applications basées sur les cellules entières ............................................ — 7
3.3 Applications basées sur les biomolécules ................................................. — 7
3.4 Au-delà des extrêmophiles : évolution dirigée et génomique
synthétique ................................................................................................... — 13
4. Conclusion.................................................................................................. — 13
Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BIO 580
n extrêmophile est un organisme vivant dans un milieu extrême.

U Qu’entend-on par milieu extrême ? À cette question simple, les réponses
ont varié selon les époques. Il s’est agi tout d’abord de milieux hostiles à
l’homme et où toute vie humaine paraissait impossible. Cette conception
anthropocentrée a laissé place à une approche basée sur l’observation des
formes de vie macroscopique. Puis, l’inventaire des formes de vie au cours de
la seconde moitié du XXe siècle a permis la découverte de micro-organismes
vivant dans des milieux de plus en plus improbables et auparavant considérés
comme stériles : sources thermales, hydrothermales, lacs acides, alcalins,
hypersalés, sédiments marins profonds, réservoirs pétroliers, glaciers, etc. Ces
découvertes ont progressivement reculé les limites physiques et chimiques
connues de la vie sur Terre. À l’heure actuelle, certaines limites ne sont tou-
jours pas déterminées et les recherches se poursuivent afin de définir les
limites de la biosphère. C’est le cas notamment pour les micro-organismes des
sédiments profonds du plancher océanique (biosphère de subsurface) et pour
les limites de la vie sous pression. Ces découvertes ont aussi conduit à réviser
les hypothèses de vie sur d’autres planètes (exobiologie).
Les organismes vivant en milieux extrêmes et en particulier les micro-orga-
nismes ont, au cours de l’évolution, développé des stratégies adaptatives très
variées. Ils présentent de ce fait un répertoire de voies métaboliques et de bio-
molécules originales leur permettant non seulement de survivre dans des
conditions extrêmes, mais aussi de se développer souvent de manière opti-
male dans des niches écologiques extrêmes. Les propriétés singulières de
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BIOTECHNOLOGIE DES EXTRÊMOPHILES ________________________________________________________________________________________________
certaines de ces biomolécules ont très vite attiré l’attention des opérateurs des
biotechnologies : chercheurs, ingénieurs et entreprises. La biotechnologie des
extrêmophiles a pour objectif de rechercher et d’exploiter ce nouveau gise-
ment de ressources naturelles en biomolécules, notamment les enzymes, les
biopolymères et les métabolites secondaires. La nature et l’évolution ayant
généré un répertoire étendu de biomolécules, il paraît logique de puiser dans
ce répertoire lorsque les propriétés d’une biomolécule répondent au cahier des
charges d’une application biotechnologique. Si l’adaptation au cahier des
charges n’est que partielle, la biomolécule peut néanmoins servir de point de
départ à un processus d’ingénierie visant à améliorer ses performances ou de
modèle pour la synthèse chimique de produits performants.
1. Extrêmophiles pH = 14
Zone abiotique
Le concept d’extrêmophile a été forgé à partir des travaux de
microbiologistes qui ont eu un rôle de pionnier en découvrant de 11
nouvelles espèces de micro-organismes dans des milieux Alcali-
considérés jusque-là comme stériles. C’est le cas de T. Brock qui, à Alcaliphiles hyper-
la fin des années soixante, découvrit les premières espèces se thermophiles
développant à des températures de l’ordre de 70 oC dans des 9
Zone abiotique
Psychrophiles
Thermophiles
sources thermales du parc de Yellowstone aux États-Unis. En 1969,
il isola en particulier Thermus aquaticus qui sera à la base de la
découverte des ADN polymérases thermostables [1]. À la même Mésophiles Hyper-
7
période, K. Horikoshi, au Japon, mettait en évidence l’existence de thermophiles
microbes ne se développant qu’à des pH alcalins et passés
presque totalement inaperçus auparavant [2]. Puis les microbiolo- 5
gistes allemands W. Zillig et K. Stetter allaient donner une impul-
sion déterminante en explorant systématiquement les milieux Acido-
extrêmes de la planète, avec une prédilection marquée pour le Acidophiles hyper-
chaud et la mise en évidence d’espèces ayant un optimum de thermophiles
croissance supérieur à 100 oC. Pyrolobus fumari est notamment
capable de survivre à 121 oC, température à laquelle sont effec- 0
tuées les opérations de stérilisation courantes en laboratoire et 0 10 60 80 120 oC
dans l’industrie. De 1980 à 2000, le laboratoire de K. Stetter isola Température
plus de 50 nouvelles espèces appartenant à de nouveaux genres,
voire de nouvelles familles [3]. De ces travaux et de ceux Figure 1 – Terminologie des extrêmophiles en fonction
consacrés à d’autres types d’environnements émergea le concept de la température (axe des X) et du pH (axe des Y). Le même type
d’extrêmophile. de combinaison s’applique en XY pour les facteurs (thermo, acido,
alcali) x (piézo, halo, etc.). Les zones abiotiques sont représentées
schématiquement
Les extrêmophiles sont des micro-organismes qui se déve-

loppent de manière optimale dans des conditions de milieux Les différents types d’extrêmophiles rencontrés en fonction des
mortelles pour la quasi-totalité des autres espèces. conditions extrêmes de milieux à partir desquels ils ont été isolés
sont résumés à la figure 1.
Les milieux naturels les plus singuliers constituent des gise-
1.1 Environnements extrêmes ments d’extrêmophiles. À titre d’exemple, nous pouvons
et extrêmophiles mentionner :
Sur la base de la définition donnée ci-dessus, l’exploration des ■ Les sources thermales terrestres, hydrothermales côtières ou
environnements extrêmes sur Terre constitue une entreprise de océaniques profondes dont les températures peuvent, pour les
longue haleine qui n’est que partiellement réalisée à l’heure premières, aller jusqu’à 100 oC et, pour les dernières, 350 oC du fait
actuelle. Les principaux paramètres physico-chimiques pris en des pressions hydrostatiques rencontrées. Les sources thermales
considération sont la température, le pH, la teneur en eau, la pres- terrestres et côtières sont très répandues sur tous les continents
sion et l’osmolarité du milieu extérieur. Ces facteurs du milieu dans les régions au volcanisme actif. Les sources hydrothermales
peuvent agir isolément ou en combinaison de deux ou plus, défi- profondes océaniques sont majoritairement situées sur les
nissant ainsi des niches écologiques extrêmes où se développent dorsales médio-océaniques actives (dorsale Médio-Atlantique, ride
des espèces polyextrêmophiles. D’autres paramètres comme la Est-Pacifique) ou les sites arrière-arcs actifs (Fidji, Okinawa, etc.).
résistance aux rayonnements ionisants sont parfois retenus. Une Ces sites sont les milieux de prédilection des thermophiles et des
forte intensité en rayonnement ionisant n’est toutefois pas une hyperthermophiles. De plus, de nombreuses sources présentent
condition indispensable au développement de souches radiorésis- des pH acides, voire très acides où se développent des acidophiles
tantes telles que Deinococcus radiodurans. On parlera dans ce cas et/ou des acido-thermophiles. Quelques rares sources hydrother-
de tolérance extrême. males, telle que Lost City (dorsale Médio-Atlantique) présentent

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des pH alcalins qui supportent le développement de souches alca- 1.2 Biodiversité exceptionnelle.
liphiles ou alcali-thermophiles. Les sources hydrothermales les
plus profondes connues (Ashadzé, 4 100 m) ont en outre permis
Collections limitées
d’isoler des souches telles que Pyrococcus yayanosii se dévelop-
pant uniquement dans une gamme de pression de 20 à 120 MPa, ■ Les micro-organismes constituent à la fois en masse, en nombre et
qualifiées de piézophiles (ou barophiles) strictes. en diversité l’ensemble le plus important sur la planète. Ils jouent des
rôles fondamentaux dans les cycles géochimiques mais aussi dans
■ Les températures basses (< 15 oC) déterminent également un le fonctionnement de l’ensemble de la biosphère. Ils contrôlent aussi
autre groupe d’extrêmophiles : les psychrophiles (qui aiment le le fonctionnement des organismes supérieurs, y compris l’homme,
froid). Ce groupe rassemble les espèces de micro-organismes ne en raison des associations complexes issues de l’évolution. En dépit
se développant qu’à basse température, voire à des températures de cette importance fondamentale et de plus d’un siècle et demi de
légèrement négatives. Les milieux concernés sont les grands fonds travaux en microbiologie, seules 7 031 espèces procaryotiques ont
océaniques, les zones de haute altitude en montagne et les zones été caractérisées à ce jour et validement décrites selon les normes de
polaires. Les vallées sèches de l’Antarctique constituent des éco- l’ICSP (International Committee on Systematics of Prokaryotes ; voir
systèmes particulièrement originaux. site Internet dans le Pour en savoir plus). Ces normes impliquent
notamment la culture des micro-organismes et leur dépôt dans deux
■ Les lacs de saumures sont divisés en deux groupes : thalas- collections internationales. Or, les approches moléculaires dévelop-
siques et athalassiques. Le premier groupe résulte de l’évaporation pées à partir des années 1980-1990 puis celles de métagénomique,
progressive de l’eau d’une mer ou d’un lac, ou de la redissolution mises en œuvre plus récemment, ont démontré l’existence d’une
d’évaporites en fond de mer par l’eau de mer surnageante. Les biodiversité microbienne considérable dans la plupart des milieux.
lacs athalassiques ont des compositions salines sans rapport avec Et ont démontré, par voie de conséquence, que seule une fraction
celle de l’eau de mer. Pour le premier groupe, les concentrations infime de cette biodiversité est aujourd’hui cultivable avec les
en sel dépassent 5 % de NaCl. Ce sont les lieux de prédilection des méthodes connues, estimée à 0,01 % voire 1 % selon les milieux [5].
espèces dites halophiles. Les lacs continentaux résultent de pro-
cessus variés. Certains tels que la mer d’Aral sont des lacs ■ La biodiversité microbienne en milieu extrême varie de manière
continentaux en voie d’assèchement. D’autres comme la mer considérable selon le niveau d’extrêmophilie et aussi en fonction
Morte sont issus d’un isolement tectonique (des eaux du golfe des sources d’énergie et des donneurs et accepteurs d’électrons dis-
d’Aqaba pour la mer Morte) et subissent une salinisation ponibles. Elle est nulle dans les fluides hydrothermaux dont les tem-
progressive. Le lac Natron situé au nord de la Tanzanie dans une pératures dépassent fréquemment 200 oC. Elle peut être réduite à
dépression du grand rift africain, est une immense saline naturelle une seule espèce de bactérie (Candidatus Desulforudis audaxviator )
dont les eaux ont un pH de 9 à 10,5. De nombreux lacs comme dans le cas des eaux souterraines acides de drainage d’une
continentaux, notamment dans les régions désertiques présentent mine d’or par 2,8 km de profondeur [6]. Elle est faible dans de nom-
cette même gamme de pH. Ils hébergent des espèces alcali-halo- breuses niches écologiques extrêmes, comme les cheminées hydro-
philes. D’autres types de lacs de saumures sont présents dans des thermales de Lost City. Mais elle peut aussi être très élevée pour
sites exceptionnels au fond de certaines mers comme la mer certaines sources hydrothermales profondes lorsque les sources
Noire, la mer Rouge, la Méditerranée ou le golfe du Mexique. Ces d’énergie sont abondantes et qu’un écosystème complexe parvient
lacs se sont formés lors de la redissolution d’anciennes couches à s’établir.
de sels de subsurface exposées à l’eau de mer à la suite d’acci-
dents tectoniques ou lessivées par les fluides circulant en subsur- ■ Les souches d’extrêmophiles isolées par des méthodes culturales
face. Les compositions en sels de certains de ces lacs peuvent être depuis une quarantaine d’années se comptent par milliers, généra-
exceptionnelles, comme celles de Discovery ou de Kryos au fond lement stockées dans les laboratoires de recherche ayant réalisé les
de la Méditerranée (sud de la Grèce) où les concentrations en travaux. La diffusion de ces souches est généralement libre pour les
magnésium atteignent 4 M. Les travaux effectués sur la chémo- activités de recherche, mais contrôlée pour des applications bio-
clyne de ce lac (zone de 1,5 m d’épaisseur faisant la transition technologiques. En revanche, les nouvelles espèces isolées, carac-
entre l’eau de mer surnageante et la saumure du lac) démontrent térisées, décrites et validées par l’ICSP se limitent à quelques
la présence de vie jusqu’à une concentration de 1,7 M de magné- centaines. Ces souches sont déposées dans les collections interna-
sium. Aucun organisme issu de ce type de milieu n’a cependant pu tionales de micro-organismes (CIP, DSMZ, ATCC, JCC) et accessi-
être cultivé jusqu’à présent. bles sur commande. Elles sont réparties entre les domaines Archaea
et Bacteria et présentent des métabolismes extrêmement divers
■ Une autre frontière particulièrement intéressante est celle de la reflétant les conditions physico- chimiques locales. Certaines
limite de la vie dans les sédiments profonds du plancher océanique familles d’archées sont constituées exclusivement d’extrêmophiles,
qui, en certains endroits en fonction de l’âge et de l’abondance de à l’instar des Thermococcales ou des Archaeoglobales qui sont des
sédiments, peuvent atteindre 10 km d’épaisseur (voir site Internet hyperthermophiles anaérobies isolées de sources thermales et
NOAA dans le Pour en savoir plus). Jusqu’en 1955 les chercheurs hydrothermales. D’autres familles d’archées comme les Methano-
pensaient que la vie était impossible au-delà de 7 m de profondeur coccales comportent des espèces réparties sur l’ensemble de la
dans les sédiments. Grâce au projet international ODP (Ocean gamme de température, des psychrophiles, des mésophiles
Drilling Project ), les forages profonds ont mis en évidence la pré- jusqu’aux hyperthermophiles. Au sein du domaine Bacteria, la
sence de groupes microbiens vivants jusqu’à des profondeurs de même situation contrastée existe. À titre d’exemple, la famille des
1 600 m sous le plancher océanique [4]. Les extrêmophiles corres- Thermotogales ne comporte que des espèces thermophiles souvent
pondants – piézo-thermo ou piézo-hyperthermophiles –, dont les isolées à partir des sources hydrothermales mais aussi des réser-
signatures moléculaires ont été mises en évidence, n’ont toutefois voirs pétroliers. À l’inverse, le genre Bacillus, qui comporte 228
pas pu être cultivés à ce jour. espèces décrites à ce jour, présente une majorité de non-extrêmo-
philes. Toutefois, la minorité de Bacillus extrêmophiles possède des
■ D’autres espèces d’extrêmophiles restent à découvrir dans des propriétés très intéressantes. Ainsi à titre d’exemples :
sites très difficiles d’accès soit pour des raisons physiques (cas des
lacs sous-glaciaires de l’Antarctique) ou en raison d’une instabilité – B. stearothermophilus est une thermophile décrite dès 1920 ;
politique chronique comme les sources salées, acides et chaudes – B. halodurans est une alcaliphile, capable de se diviser de pH 7
du site de Dallol dans le triangle des Afars en Éthiopie où il devrait à pH 11, très utilisée dans l’industrie ;
être possible de trouver des halo-acido-hyperthermophiles.
– B. stratospherus, isolée à partir d’échantillons prélevés à 41 km
La figure 2 présente quelques sites naturels où prolifèrent des d’altitude, est une alcaliphile résistante aux UV et dont les spores
extrêmophiles. supportent les conditions de la stratosphère ;

EXOMAR MEDECO 2007
a cheminée hydrothermale d’anhydrite sur Rainbow, b lac de saumure au fond de la Méditerranée Est (©Ifremer)
dorsale Médio-Atlantique (©Ifremer)
DALLOL
LANZAROTTE
c site thermal de Dallol, Éthiopie d marais salants, île de Lanzarotte, Canaries (photo J. Querellou)
Figure 2 – Exemples de milieux extrêmes propices à l’isolement d’espèces extrêmophiles
– B. arseniciselenatis est une halo-alcaliphile capable de réduire

l’arsenate. Bactéries et archées
Cette diversité souligne aussi la plasticité de certains groupes Les études phylogénétiques basées sur l’analyse de l’ARN
microbiens. ribosomal 16S ont permis de mettre en évidence l’existence
de trois domaines distincts : les bactéries (ou Bacteria ), les
Les archées et les bactéries, ainsi que le cortège de virus qui archées (Archaea ) et les eucaryotes (Eukarya ). Cette division a
les accompagne, ont évolué pendant 3,5 milliards d’années, se été confirmée par les résultats de la génomique. Bien qu’éta-
sont diversifiées à l’extrême pour coloniser pratiquement tous blie dès 1978 par le microbiologiste américain Carl Woese,
les milieux de la planète. De ce fait, un très grand nombre de cette classification du vivant ne s’est imposée que très lente-
voies métaboliques ont été sélectionnées au cours de l’évo- ment. Archées et bactéries ne possèdent ni noyau ni organites
lution, dont une grande partie subsiste dans les micro-orga- intracellulaires, contrairement aux eucaryotes. Les archées et
nismes actuellement vivants. Les enzymes impliquées dans ces les bactéries diffèrent par plusieurs aspects :
voies métaboliques ainsi que les produits qui en sont dérivés
– sur le plan évolutif, les espèces vivantes de chaque
sont susceptibles de présenter un intérêt en biotechnologie. En
domaine descendent d’un ancêtre commun distinct, même si
regard des besoins de l’industrie, la nature offre, au travers des
l’on observe de fréquents transferts latéraux de gènes d’un
espèces isolées, un panel d’enzymes, de polymères et de méta-
domaine à l’autre ;
bolites secondaires qui commence à peine à être exploré. C’est
– les membranes cellulaires sont très distinctes. À la diffé-
pour cette raison que Koki Horikoshi, spécialiste japonais des
rence des bactéries et des eucaryotes chez qui des liaisons
extrêmophiles, disait : « Les micro-organismes peuvent faire ce
esters lient les acides gras au glycérol, les lipides des archées
que vous voulez. Il suffit d’imaginer comment » et pour la
ont des liaisons éther entre le glycérol et les chaînes latérales
même raison que la phrase en exergue sur le site Internet de
hydrophobes. Les lipides d’archées ne possèdent pas d’acides
Protéus, société de biotechnologie française, est « La nature a
gras et les chaînes latérales sont constituées d’isoprène ;
▲
plus d’imagination que nos rêves ».

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toujours requise, du fait que le milieu intérieur peut bénéficier de

Bactéries et archées l’effet de certains solutés organiques ou d’une protection au sein de
complexes macromoléculaires.
– les archées sont plus proches des eucaryotes que des bac-
Nous n’illustrerons ici que certaines propriétés, et plus particu-
téries pour les mécanismes liés à la réplication, la transcrip-
lièrement la thermostabilité des protéines et l’osmoadaptation.
tion et la traduction ;
– à l’inverse, les archées se rapprochent des bactéries pour
la division cellulaire et les voies du métabolisme énergétique.
De nombreux extrêmophiles appartiennent au domaine des 2.1 Stabilité des constituants cellulaires
archées, mais certains groupes de bactéries en possèdent éga-
lement.
L’une des premières questions qui se pose pour les hyperther-
En dépit de ces différences, une unité architecturale mophiles est celle de la stabilité de leur matériel génétique.
commune est conservée et les constituants fondamentaux du Comment est préservée l’intégralité du message génétique stockée
vivant (acides nucléiques, protéines, code génétique universel, dans le chromosome et comment peuvent s’opérer la transcription
etc.) sont conservés. De ce fait, les technologies de l’ADN et et la traduction au-dessus de 100-110 oC ? À ces températures, in
l’ingénierie des protéines sont communes aux trois domaines. vitro, l’ARN est dégradé et l’ADN linéaire et circulaire est dénaturé
(séparation des deux brins de la double hélice) puis dégradé. Les
acides nucléiques des hyperthermophiles sont formés à partir des
1.3 Accessibilité inégale mêmes nucléotides et possèdent une structure identique à celle
des mésophiles. Il a été démontré que des histones archéennes ou
L’accès le plus immédiat aux micro-organismes extrêmophiles à des histones « like » augmentent la température de dénaturation
des fins de biotechnologie consiste à rechercher dans les banques de l’ADN, mais ne préviennent pas la thermodégradation. La stabi-
internationales les souches dont le profil correspond a priori au lité des acides nucléiques à haute température chez les hyperther-
mieux au cahier des charges du ou des produits recherchés. Une mophiles résulte sans doute d’une interaction avec des protéines
autre approche consiste à prendre contact avec les laboratoires de de liaisons non spécifiques qui restent à découvrir. Il a également
recherche universitaires ou des organismes de recherche impli- été démontré que la thermodégradation de l’ADN est réduite en
qués dans ce domaine et à négocier l’utilisation de souches isolées présence de concentrations physiologiques de sels monovalents
et stockées dans les collections de laboratoire. (50 à 500 mM de KCl ou NaCl) ou divalents (1 à 25 mM MgCl2).
D’une manière générale, l’isolement de souches d’extrêmophiles Les protéines et tout particulièrement les enzymes des hyper-
exige des compétences spécialisées qui ne recoupent que très par- thermophiles doivent être thermostables et fonctionner dans les
tiellement celles nécessaires à la découverte de produits innovants conditions de température rencontrées dans les sources thermales
et à leur développement en un produit commercial. ou hydrothermales. La thermostabilité d’une enzyme est corrélée à
la température de croissance de l’organisme source. Les
De plus l’accès à certains environnements extrêmes, tels que les
recherches visant à trouver une loi générale qui permette de
sources hydrothermales profondes, est très limité par le fait qu’il
convertir une protéine donnée en sa version thermostable, et réci-
requiert l’usage d’équipements lourds, navires, sous-marins habi-
proquement, ont échoué. Néanmoins, ces travaux ont permis de
tés ou robots grande profondeur. Ces engins sont disponibles
caractériser les déterminants de la thermostabilité des protéines. À
dans seulement quelques pays développés. Une difficulté supplé-
défaut de loi générale, les mécanismes les plus fréquemment ren-
mentaire vient souvent se rajouter aux précédentes. Les ressour-
contrés font appel à :
ces vivantes sous juridictions nationales sont considérées comme
faisant partie du patrimoine des différents États. Les extrêmophiles – une augmentation des interactions de Van der Waals ;
n’échappent pas à cette règle. Bien au contraire. Beaucoup de pays
interdisent d’ores et déjà tout prélèvement en milieu extrême afin – une hydrophobicité accrue ;
de protéger leurs intérêts, à commencer par les pays développés – une extension du nombre et de la taille des réseaux de liaisons
(USA, Nouvelle-Zélande, Islande, etc.). hydrogène ;
– une augmentation des interactions ioniques ;
– une densité de compaction plus élevée ;
2. Propriétés – une diminution de longueur des boucles de surface ;
des extrêmophiles – une modification dans l’usage des codons avec un biais pour
les codons (Arg) pour l’arginine.
Le concept d’extrêmophilie, à la différence de celui de résistance De plus, les travaux de protéomique comparée ont permis d’éta-
aux conditions extrêmes, implique que l’ensemble de la machinerie blir que la thermostabilité d’une protéine est liée à une augmenta-
cellulaire soit adapté aux conditions extrêmes et que les cellules tion du nombre de résidus acide glutamique (E) et lysine (K)
fonctionnent de manière optimale dans ces conditions. Pour autant, combinée à une réduction de résidus glutamine (Q) et histidine (H).
chaque constituant cellulaire ne fonctionne pas nécessairement à Un rapport (E + K)/(Q + H) supérieur 4,5 signerait la présence d’un
l’optimum dans les conditions du milieu extérieur. Les cellules sont hyperthermophile. Le nombre de résidus chargés aurait un impact
capables de contrôler jusqu’à un certain point les conditions intra- sur la solubilité tandis que leur position serait importante pour la
cellulaires pour certains paramètres comme l’osmolarité. De ce fait, stabilité. Pour clore cette liste, il semble que l’importance des
le pH intracellulaire de souches alcaliphiles sera inférieur à celui du ponts disulfures dans la stabilisation des protéines thermostables
milieu extérieur et inversement pour les espèces acidophiles. En d’archées ait été sous-estimée [7]. En bref, chaque protéine est le
revanche, pour certains paramètres, comme la température, la pres- résultat d’une évolution propre qui optimise son repliement et les
sion, les conditions du milieu extérieur s’imposent aux cellules dans interactions externes avec les solvants par différents
leur globalité, membranes, milieu intérieur et totalité des mécanismes [8]. Ces stratégies ne sont nécessairement utilisées
constituants cellulaires. Ces constituants cellulaires devront être toutes simultanément pour conférer à une protéine une thermosta-
non seulement stables dans ces conditions, mais surtout, fonction- bilité accrue. Elles semblent correspondre à une « boîte à outils »
nels. La stabilité de chacune des biomolécules prise isolément et dans laquelle l’évolution a puisé au fil du temps pour répondre au
testée dans les conditions du milieu extérieur n’est toutefois pas besoin des extrêmophiles.

2.2 Osmoadaptation À l’autre extrémité de l’échelle des pH, les alcaliphiles possèdent
des parois cellulaires qui permettent de limiter le pH du milieu
Tous les procaryotes ont dû développer des stratégies adapta- interne tout en assurant l’approvisionnement en énergie. Elles pré-
tives leur permettant d’ajuster les concentrations des solutés intra- sentent l’intérêt de produire des enzymes fonctionnelles à pH
cellulaires aux concentrations externes. Dans le cas des halophiles, élevé, dont des lipases et des protéases très utilisées dans l’indus-
cette adaptation aux fortes concentrations du milieu extérieur trie des détergents.
implique l’accumulation de solutés intracellulaires afin de contrer
la pression osmotique qui autrement conduirait à la déshydrata-
tion et à la mort. Deux stratégies principales ont été identifiées
pour équilibrer la pression osmotique extérieure : l’afflux de cer-
tains ions dans la cellule et l’accumulation de solutés organiques
3. Applications
compatibles de faible poids moléculaire. La première stratégie biotechnologiques
semble être limitée à quelques genres d’archées halophiles
extrêmes (Halobacterium, Haloarcula, Haloquadratum, Halorhab-
Les extrêmophiles représentent une nouvelle frontière pour la
dus, Natronobacterium, et Natronococcus ) et de bactéries halo-
biotechnologie. Les travaux de recherche sur les extrêmophiles
philes extrêmes (Salinibacter). Le cation majoritairement accumulé
sont pour une grande part motivés par les applications biotechno-
est K+. De nombreuses enzymes de ces espèces présentent un
logiques déjà acquises et par celles susceptibles de reposer sur
enrichissement en résidus acides et une activité K+ dépendante. La
des biomolécules aux propriétés nouvelles pouvant déboucher sur
seconde stratégie n’est pas limitée aux halophiles, mais les pro-
le développement de nouveaux produits. En raison des pratiques
priétés remarquables de certains solutés organiques compatibles
en vigueur dans les laboratoires de recherche et dans l’industrie, il
leur ont permis de s’adapter aux conditions changeantes. Les solu-
est souvent difficile de documenter les chemins ayant conduit de
tés compatibles regroupent des molécules de structures très
la source (extrêmophile) à un produit ou un procédé. Plusieurs mil-
diverses : acides aminés, sucres (tréhalose, sucrose), phosphodies-
liers d’articles sont consacrés à ce domaine en pleine expansion. Il
ters et glycérates [9]. Phosphodiesters et glycérates sont des solu-
est possible d’aborder ce chapitre sous plusieurs angles :
tés chargés. Les autres sont neutres ou zwittérioniques.
– par groupes d’extrêmophiles ;
Parmi les acides aminés et dérivés, seuls un petit nombre a un
– par type d’applications industrielles ;
rôle de soluté compatible : glutamine, glutamate, lysine (chez les
– par grandes familles d’enzymes et de produits.
méthanogènes), proline, glycine bétaïne, ectoïne et hydroxyec-
toïne chez de nombreuses halophiles. Le tréhalose et le sucrose Nous avons privilégié cette troisième approche.
sont des osmolytes très répandus depuis les bactéries et les Néanmoins, d’excellentes synthèses existent par groupes
archées jusqu’aux invertébrés. Ils jouent également un rôle impor- d’extrêmophiles qui permettent au lecteur d’aborder les applica-
tant chez certaines espèces halothermophiles. Les phosphodiesters tions biotechnologiques sous cet angle : citons pour les propriétés
jouent le rôle de solutés compatibles plus spécialement chez les et les applications liées aux psychrophiles les synthèses de Cavic-
hyperthermophiles. Le DIP (di-myo-inositol phosphate) est rencon- chioli et al. [13] [14]. Pour les alcaliphiles l’ouvrage de référence de
tré chez de nombreux genres d’archées hyperthermophiles y K. Horikoshi [2], les thermophiles et hyperthermophiles l’article de
compris chez Pyrolobus fumarii qui est l’espèce la plus thermo- G. Antranikian et al. [15]. Pour les piézophiles, une synthèse
phile connue à ce jour. récente [16] met l’accent sur le comportement des enzymes issues
Les propriétés des solutés compatibles des extrêmophiles sug- de modèles piézotolérants, soulignant par contraste l’absence de
gèrent qu’il serait possible de les utiliser en biotechnologie pour travaux sur les enzymes de piézophiles strictes.
protéger des macromolécules ou des cellules soumises à des On peut distinguer deux types d’applications différentes. La pre-
conditions de stress. Ces composés sont regroupés sous l’appella- mière repose sur l’utilisation directe des organismes. C’est le cas
tion d’« extrêmolytes » [10]. en particulier pour les applications liées à la bioremédiation
(ensemble des procédés visant à la restauration d’un écosystème
grâce à la stimulation des populations microbiennes indigènes ou
2.3 Adaptation aux pH extrêmes à l’apport de populations adaptées) et à la biolixiviation (ou pro-
cédé dans lequel les microbes sont utilisés pour le traitement des
Le record de l’acidophilie est atteint par l’archée thermoacido- minerais). Le second type d’applications repose sur l’utilisation
phile Picrophilus torridus dont l’optimum de croissance se situe à des biomolécules issues des extrêmophiles. Ce sont les enzymes,
pH 0,7 et 65 oC, capable de se diviser à pH 0 et dont le milieu mais aussi les protéines, les lipides, les polymères, les extrêmoly-
intracellulaire est à pH 4,6. Le séquençage du génome complet de tes et une grande diversité de métabolites secondaires. L’ensem-
P. torridus a permis de rechercher les mécanismes d’adaptation à ble constitué des cellules, des ressources génétiques et des
ce pH extrême. Elle est capable de produire des enzymes biomolécules listées ci-dessous regroupe ce que nous qualifions
extracellulaires, dégradant les polymères, résistantes aux au sens large d’actifs biotechnologiques.
conditions du milieu extérieur. Elle offre ainsi l’opportunité d’ana-
lyser les spécificités d’enzymes thermostables, fonctionnelles en
milieu acide. L’une des adaptations majeures de P. torridus tient à 3.1 Méthodes d’obtention
la composition de sa paroi cellulaire. Elle présente une faible per-
méabilité aux protons (H+), une grande stabilité aux acides et perd des actifs biotechnologiques
sa cohésion à pH 7 [11]. Elle comporte une couche S composée de
protéines et une membrane monocouche possédant une structure Les méthodes d’obtention reposaient, jusqu’à l’avènement des
originale à base de lipides polaires de type caldarchaeol. Pour lut- techniques de métagénomique, sur l’isolement et les cultures des
ter contre les concentrations en protons énormes du milieu exté- espèces d’extrêmophiles, complétés par les approches classiques
rieur, P. torridus possède des pompes à protons particulièrement de biologie moléculaire, les techniques de l’ADN recombinant et
efficaces et limite les dépenses d’énergie en laissant pénétrer une l’ingénierie des protéines.
quantité importante de charges positives sous la forme d’ions À cette approche classique « culture dépendante » sont venues
potassium (K+). Les thermoacidophiles ont développé des méca- se rajouter la métagénomique et la bioinformatique. La métagéno-
nismes de résistance aux métaux lourds qui sont physiologique- mique repose sur (i) l’extraction de l’ensemble des acides
ment toxiques pour la plupart des micro-organismes. Les données nucléiques des espèces associées à un échantillon brut (sol, eau,
actuelles suggèrent que de multiples systèmes fonctionnent en sédiment, roche, animaux, végétaux, etc.), (ii) la construction de
parallèle chez ces extrêmophiles [12]. banques génomiques, (iii) le séquençage massif des ressources

génétiques d’intérêt clonées et (iv) l’analyse bioinformatique du combustible fonctionnant à 60 oC en utilisant de l’acétate comme
contenu génétique correspondant. La bioinformatique est aussi carburant [18]. Ces travaux sont encore embryonnaires.
l’approche obligée pour le genemining ou datamining ou biomi-
ning. Il s’agit de prospecter les gènes d’intérêt dans les nombreux
génomes complets d’extrêmophiles accessibles dans des bases de 3.3 Applications basées
données spécialisées (voir sites Internet). Cette recherche est
aujourd’hui étendue aux données de métagénomes et au criblage
sur les biomolécules
d’expression sur les banques dérivées. Effectivement, il faut souli-
La plupart des applications des extrêmophiles sont basées sur
gner que les simples analyses de séquences de gènes conduisent
l’utilisation de leurs biomolécules. La plus connue est la PCR ou
bien souvent à des annotations incorrectes, d’où la nécessité de
amplification génique in vitro qui repose sur les propriétés des
procéder à un criblage fonctionnel, notamment dans le cas des
ADN polymérases thermostables. D’autres, plus anciennes comme
gènes codant pour des activités d’intérêt.
l’utilisation de protéases alcalines dans l’industrie des détergents,
sont moins médiatisées, mais d’usage tout aussi généralisé. Plus
récemment, le développement de solutions intégrées, combinant à
3.2 Applications basées sur les cellules la fois la chimie et l’enzymologie, pour répondre à des processus
entières industriels de conversion complexes est basé sur l’utilisation
d’enzymes nouvelles.
Il s’agit d’applications pour lesquelles l’utilisation de biomolé-
cules purifiées à partir des cultures est non rentable ou d’applica-
tions qui requièrent l’action directe d’une population microbienne, 3.3.1 Protéines et enzymes
voire d’un mélange complexe de différentes espèces.
3.3.1.1 Enzymes de l’ADN
3.2.1 Biolixiviation des métaux

Ces enzymes appartiennent, dans la nomenclature EC
La lixiviation microbienne ou biolixiviation est utilisée essentiel- (Enzyme Commission numbers), aux classes suivantes.
lement pour concentrer les métaux (cuivre, or et uranium) lorsque
les concentrations initiales du minerai sont faibles et que les pro- EC 2.7 : phosphotransférases/kinases ; EC 2.7.7 : nucléotidyl-
cédés chimiques conventionnels ne sont pas rentables. Pour transférases (ADN polymérase et ARN polymérase).
l’extraction du cuivre, le procédé de lixiviation fait tout d’abord
appel à un arrosage du minerai par une solution acide contenant
Les technologies de l’ADN recombinant reposent sur l’utilisation
du fer ferrique (Fe3+) produit à partir de fer ferreux (Fe2+) par les
d’enzymes très diverses : enzymes de restriction (coupant l’ADN
bactéries de l’espèce Acidithiobacillus ferroxidans. Cette opération
en des sites précis), ADN polymérases, ADN ligases, etc. Les ADN
solubilise le cuivre. L’étape suivante vise à précipiter le cuivre par
polymérases thermostables jouent un rôle fondamental dans les
des copeaux de fer (Fe0) et une production de fer ferreux. Le rôle
techniques d’ingénierie du vivant grâce à leur aptitude à amplifier
des bactéries dans ce procédé consiste à oxyder Fe2+ en Fe3+. A.
un gène donné à des millions de copies au moyen de la réaction
ferroxidans est une acidophile mésophile également utilisée pour
de PCR. Cette réaction (Polymerase Chain Reaction) comporte un
la biolixiviation de l’or et de l’uranium. Toutefois, l’oxydation bio-
nombre variable de cycles de température (en moyenne 30) : déna-
logique des composés sulfurés inorganiques réduits est impor-
turation des doubles brins d’ADN à 94 oC ; hybridation des
tante pour limiter leur contribution à la création d’un film de
amorces à 40-60 oC selon leur composition ; élongation des
passivation à la surface des métaux qui réduirait les rendements
amorces et synthèse du brin complémentaire à 72 oC.
d’extraction. Cette passivation est éliminée lorsque la biolixiviation
est effectuée à haute température avec des espèces thermo-acido- Les enzymes les plus utilisées en amplification de gènes sont la
philes. Les opérations peuvent se dérouler en milieu ouvert, et Taq polymérase (70 % du marché) isolée de Thermus aquaticus
dans ce cas le processus ne fait pas appel à une seule espèce mais (origine : sources thermales du Parc de Yellowstone, USA), suivie
à des consortiums dominés par des espèces microbiennes acido- des ADN polymérases isolées des archées hyperthermophiles des
philes. En milieu ouvert, il n’est pas possible de faire appel à des genres Pyrococcus et Thermococcus. Toutes ces enzymes
thermophiles. Par contre, lorsque l’extraction s’effectue en réac- comportent plusieurs domaines aux fonctions complémentaires.
teurs, les conditions sont mieux contrôlées, plus homogènes et il La Taq polymérase comporte un domaine polymérase, chargé de
s’établit un consortium microbien dominé par deux ou trois la synthèse du brin d‘ADN complémentaire du brin matrice, ainsi
espèces qui, pour le traitement de certains minerais comme la qu’un domaine exonucléase 5′-3′ capable de déplacer le brin
pyrite ou la chalcopyrite, peut faire appel uniquement à des d’ADN ou les amorces situés en aval de la polymérase. Cette
archées thermophiles [17]. combinaison de propriétés est à la base du procédé de PCR en
temps réel ou quantitative qui permet de suivre l’évolution du
nombre de copies des fragments néosynthétisés et de déterminer
3.2.2 Piles à combustible microbienne (MFC) l’abondance relative de matrices initiales. Toutefois, la Taq poly-
mérase, ainsi que toutes les polymérases de Thermus, sont
dépourvues d’exonucléase 3′-5′, au contraire des polymérases
Les piles en combustibles microbiennes (Microbial Fuel Cells archéennes des Thermococcales. La fonction de cette exonucléase
en anglais) convertissent directement en électricité l’énergie est celle de correction d’erreur. En cas d’incorporation d’un nucléo-
chimique contenue dans un substrat (voir sites Internet). tide erroné, l’exonucléase procède à l’excision, puis l’ADN polymé-
rase reprend la synthèse. De ce fait, la fidélité des ADN
polymérases de la famille B des Thermococcales est de 2 à 10 fois
La recherche de micro-organismes capables d’oxyder des meilleure que celle de la Taq. Elles constituent les enzymes de
composés organiques ou inorganiques en couplage avec la réduc- référence dès lors que la fidélité du produit final est essentielle,
tion d’une électrode dans une pile à combustible pour produire un comme dans le cas de la production de protéines recombinantes.
courant électrique s’est focalisée surtout sur les bactéries méso- Les similarités de séquences entre les ADN polymérases de Ther-
philes. Les extrêmophiles constituent un gisement très largement mococcales sont très élevées. En revanche, si elles remplissent les
inexploré dans ce domaine. Récemment, il a été démontré qu’une mêmes fonctions, elles ont des propriétés qui varient de manière
communauté microbienne thermophile isolée de sédiments marins importante : thermostabilité, fidélité, processivité (nombre de
était capable de produire un courant électrique dans une pile à nucléotides incorporés au cours d’un seul cycle d’attachement de

Tableau 1 – Propriétés de différentes ADN polymérases thermostables et hyperthermostables
Demi-vie à 95 oC DNA (1)

Km dNTP (1)
Km
Espèces sources Fidélité relative
(min)
(nM) (µM chaque)
Thermus aquaticus .............................. 45 1 4,0 24
Pyrococcus furiosus ............................ 1 140 6,2 0,7 16
Pyrococcus abyssi ............................... 600 6 – –
Thermococcus litoralis ........................ 300 2,9 0,07 41
Thermococcus kodakaraensis ............ 720 3,7 – –
Thermococcus fumicolans .................. 200 1,5 – –
Thermococcus sp. 9 oN-7 .................... – – 0,05 75
Thermococcus thioreducens .............. 127 1,7 0,66 10,5
(1) Km : constante de Michaelis ; elle représente l’affinité de l’enzyme pour son substrat (l’ADN ou les dNTP).
la polymérase à la matrice), paramètres cinétiques, taille des frag- 3.3.1.2 Carboxylestérases : lipases et estérases
ments amplifiés en PCR, etc. En outre, utilisées en combinaison
avec la Taq, les ADN polymérases de Pyrococcus et de Thermo-
coccus peuvent en PCR longue distance produire des fragments de EC 3 : hydrolases ; EC 3.1 : hydrolyse des liaisons esters.
grande taille, jusqu’à 20 kb à partir d’ADN génomique.
Les propriétés comparées des ADN polymérases non modifiées Les enzymes hydrolysant les esters carboxyliques (EC 3.1.1) sont
utilisées en PCR sont indiquées au tableau 1. ubiquistes et ont été trouvées dans les trois domaines du vivant et
chez certains virus. En présence d’eau, elles catalysent l’hydrolyse
Les ADN polymérases thermostables recombinantes dans leur d’une liaison ester pour donner un alcool et un acide carboxylique.
version non modifiée dominent le marché actuel. Toutefois, afin de Dans un solvant organique, elles peuvent catalyser la réaction
répondre à des besoins particuliers, certaines de ces enzymes ont inverse ou une transestérification. Il existe deux groupes
fait l’objet de travaux d’ingénierie génétique donnant naissance à d’enzymes très connues dans la famille des hydrolases d’esters
de nouveaux produits aux propriétés mieux adaptées. La Taq poly- carboxyliques : les lipases et les hydrolases. Les estérases se dis-
mérase existe de ce fait en de multiples versions. Parmi de nom- tinguent des lipases par leur préférence pour les acyl esters à
breux exemples, on peut citer la construction d’ADN polymérases chaîne courte (inférieure à 10 atomes de carbone) et ne sont pas
chimériques comme celle conçue par la société Roche à partir des actives sur les substrats qui forment des micelles. Elles ne
ADN polymérases de T. aquaticus et de Thermotoga maritima et requièrent pas de cofacteur, présentent une bonne chimiosélecti-
présentant une activité réverse-transcriptase et une atténuation de vité, régiosélectivité et énantiosélectivité. Bien que leur rôle phy-
l’activité exonucléase 3’-5’ en vue d’améliorer les procédures de siologique ne soit pas toujours connu, les estérases et les lipases
RT/PCR [19]. ont trouvé de multiples applications dans les industries médicales,
agroalimentaires, énergie grâce à leurs propriétés en synthèse
Plusieurs domaines sont plus particulièrement demandeurs de organique, production de détergent, de biodiesel, synthèse
nouvelles ADN polymérases : le bioterrorisme avec pour objectif d’arômes, etc. Elles constituent l’une des cibles majeures des tra-
de disposer d’ADN polymérases fonctionnelles dans des vaux de recherche en biocatalyse et le nombre d’articles qui leur
conditions drastiques (présence de solvants et autres inhibiteurs), est consacré s’accroît très rapidement. Ces travaux ont démontré
la médecine légale et les recherches sur les ADN anciens ou que les réactions catalysées par les lipases sont plus sélectives et
« fossiles » caractérisés par la fréquence des ADN endommagés. plus efficaces que beaucoup de réactions homologues en chimie
Des travaux récents d’évolution dirigée (basée sur la méthode de organique. L’utilisation de lipases en biocatalyse asymétrique
reproduction moléculaire) à partir de gènes de T. aquaticus, T. fla- constitue une voie prometteuse pour obtenir des composés énan-
vius et T. thermophilus ont permis de mettre au point des ADN tiomériquement purs ou enrichis [21].
polymérases thermostables capables de franchir les mésapparie-
Jusqu’à présent, la plupart des lipases et des estérases utilisées
ments simples, doubles, triples voire quadruples, ainsi que les
dans l’industrie sont issues de mésophiles du fait de l’antériorité
lésions à base d’hydantoïnes ou de sites abasiques [20]. Il reste
des travaux sur ce type de micro-organismes. Toutefois, depuis le
sans doute d’autres pistes à explorer à partir notamment des ADN
début de la décennie, de nombreuses carboxylestérases ont été
polymérases thermostables de la famille Y (translésions) des cré-
isolées à partir d’hyperthermophiles [22] et de psychrophiles [23].
narchées ou de la famille D des euryarchées.
Pour l’instant, une quarantaine de carboxylestérases ont été iso-
À noter toutefois que la suprématie des ADN polymérases ther- lées à partir d’hyperthermophiles. Ce sont des estérases à l’excep-
mostables en biologie moléculaire et dans la technologie de l’ADN tion de trois lipases récemment isolées de l’archée Archaeoglobus
recombinant est menacée par les nouvelles techniques d’amplifi- fulgidus, et de la bactérie Thermosyntropha lipolytica. Elles pré-
cation isothermes basées sur l’utilisation des propriétés des ADN sentent une grande diversité de substrats : pNP-Cx (p-nitrophényl
polymérases virales du type φ29 et en séquençage par la dernière ester ; 3 < x < 12), 4MU (4-méthylumbelliferyl ester), paraoxon
génération d’équipements utilisant la technologie de lecture de (organophosphoré inhibiteur de la cholinestérase), méthylpa-
molécule unique (Helicos) et une ADN polymérase isolée de Esche- raoxon. Les pH optimaux s’échelonnent entre 6 et 9 mais la lipase
richia coli (fragment de Klenow). de A. fulgidus présente un optimum à pH 11. La comparaison des

thermostabilités des différentes estérases est rendue difficile par le – pouvoir être produite à faible coût [2].
fait que les tests de mesure de demi-vie ne sont pas normalisés et En raison de l’importance des marchés ciblés, les recherches
effectués à des températures différentes. Certaines telles que dans ce domaine ont été très actives et l’on ne comptait pas moins
l’estérase AF1041 de A. fulgidus sont faiblement thermostables de deux mille publications scientifiques sur les alcaliphiles en
(demi-vie de 25 min à 40 oC). D’autres telles que les estérases des 2006.
Pyrococcus ont une demi-vie supérieure à 20 h à 100 oC. La majo-
rité des carboxylestérases issues d’hyperthermophiles affiche une De nombreuses protéases répondant plus ou moins parfai-
bonne thermostabilité et une activité optimale à des températures tement aux critères listés ci-dessus ont été isolées. Nous ne
comprises entre 70 et 100 oC. Une proportion importante de ces retiendrons qu’un exemple, la protéase alcaline isolée de Bacillus
estérases présente une bonne stabilité en présence de solvants halmapalus KSM-KP43 (origine : échantillon de sol, Haga, Tochi-
organiques. C’est en particulier le cas des estérases EstA et EstB giKu, Japon) produite à l’échelle industrielle et utilisée avec succès
isolées de P. torridus qui présentent une activité optimale de 55 à dans l’industrie des détergents. La sérine protéase de KP43
70 oC et à pH de 6,5-7 ainsi qu’une activité sur substrat présente :
pNP-(C2-C8) ainsi que sur les anti-inflammatoires non stéroïdiens – une stabilité élevée en présence d’agents oxydants tels que
du type kétoprofène et ibuprofène. Ces activités sont remarquable- H2O2 (elle retient 90 % de son activité après 30 min à 30 oC à une
ment bien conservées en présence de détergents, d’urée et de sol- concentration de 50 mM de H2O2) ;
vants organiques d’usage courant [24]. – une activité maximale entre les pH 6 et 12 et les températures
De nouvelles applications dans le domaine des biocapteurs de 45 à 65 oC ;
pourraient aussi émerger dans un futur proche. Ainsi, il devrait – une absence de sensibilité à l’EDTA, l’EGTA (à 10 mM), au
être possible de mesurer les niveaux de contamination en organo- 2-mercaptoéthanol, au monoiodoacétate, à l’N-éthylmaléimide, au
phosphorés et en neurotoxines (usage en bioremédiation ou pré- 5,5’-dithiobis-(2-acide nitrobenzoïque) 5 mM [26].
vention de guerre chimique) sur la base des propriétés d’une
estérase thermostable isolée de la bactérie Alicyclobacillus Nota : acide éthylène diamine tétra-acétique (EDTA), acide éthylène glycole tétra-
acétique (EGTA).
acidocaldarius [25].
Les travaux sur les lipases de psychrophiles ont démarré plus Le faible nombre de protéases isolées à partir des archées
tardivement du fait que la thermostabilité est un paramètre géné- contraste avec leur très grande diversité, en particulier des archées
ralement important pour un usage industriel. Ces lipases ont pour- haloalcaliphiles. Il est tentant de penser que leur potentiel a été
tant un intérêt accru dans la synthèse organique d’intermédiaires mal exploré et probable qu’un gisement de nouvelles enzymes
chiraux du fait de leur activité élevée à très basse température, reste à prospecter. Un pas dans cette direction a été franchi avec la
favorable pour la production de composés instables. caractérisation récente d’une protéase extracellulaire isolée de
Contrairement aux hyperthermophiles, les lipases actives à basse Natrialba magadii [27]. La protéase alcaline recombinante produite
température ont été trouvées non seulement chez des bactéries, chez l’hôte Haloferax volcanii est extracellulaire, ouvrant une piste
des archées, mais aussi dans des champignons (Candida de production intéressante. Comparée à la protéase native obte-
antarctica ). Les applications industrielles de ces lipases sont très nue de N. magadii, elle possède presque les mêmes propriétés :
diverses : additifs dans les détergents (lavage à basse température optimum d’activité à pH 10 et 1,5 M de NaCl. Les activités des pro-
et économie d’énergie), additifs en agroalimentaire (fermentation, téases natives et recombinantes sont toutefois différentes en pré-
production de fromage, attendrissement des viandes, etc.), biore- sence de diméthylsulfoxyde (DMSO). La protéase recombinante
médiation (digestion des effluents contaminés par des lipides, produite par H. volcanii conserve 100 % de son activité après expo-
compostage), médical et pharmaceutique, etc. Ces lipases sition à 30 % de DMSO à 30 oC, pendant 24 h. Ces propriétés
présentent aussi un intérêt en chimie fine par leurs propriétés de ouvrent des perspectives d’applications intéressantes lorsque le
synthèse (synthèse d’esters actifs optiquement, d’intermédiaires milieu de traitement est salé et contient des détergents.
chiraux, d’amides, etc.) [23].
Les limites intrinsèques de thermostabilité de ces lipases actives 3.3.1.4 Enzymes de dégradation et de modification
des polysaccharides
à basses températures expliquent sans doute que pour l’instant
elles génèrent peu d’activités commerciales. L’un des défis qui
reste à surmonter est l’amélioration de la thermostabilité de ces
enzymes, pour laquelle nous avons vu précédemment qu’il EC 3.2 : glycosylases ; EC 3.2.1 : glycoside hydrolases.
n’existe pas de procédure simple à mettre en œuvre.
Cette famille contient de très nombreuses enzymes susceptibles
3.3.1.3 Protéases d’applications industrielles (disaccharidases : lactase, maltase,
sucrase, tréhalase ; glucosidases : amylase, cellulase, chitinase,
galactosidase, pullulanase, etc.).
EC 3.4 : action sur liaison peptidique (ou peptidase).
Il est impossible de donner une vue synthétique des milliers
d’articles consacrés à cette famille d’enzymes dans le cadre du
Les travaux sur les protéases isolées d’alcaliphiles remontent au présent article. L’accent est mis sur les applications ayant le poten-
début des années 1970. L’objectif principal visait l’obtention de tiel le plus élevé et notamment la production de biocarburants.
protéases fonctionnelles dans les conditions usuelles d’utilisation
des détergents, en agroalimentaire et dans les industries du tan- ■ En raison des variations des cours des produits pétroliers, des
nage de cuir. Pour réussir un développement commercial, les pro- perspectives d’épuisement des stocks connus et de la dynamique
téases devaient répondre à un cahier des charges drastique : de découverte de nouveaux gisements, tous les pays industrialisés
ont lancé des programmes de R&D visant à développer des filières
– présenter une activité significative sur une large gamme de de production de biocarburants. La première génération, déjà opé-
pH ; rationnelle, en particulier au Brésil et aux USA, repose sur l’utilisa-
– être stables en conditions très alcalines ; tion de produits agricoles (contenant principalement des sucres
– être stables et actives en présence d’émulsifiants ; et/ou de l’amidon), en compétition directe avec la production ali-
– avoir une grande stabilité en présence d’agents de chélation mentaire. Les rendements actuels des filières de production et les
et/ou de blanchissement ; surfaces disponibles en Europe et aux États-Unis conduisent à une
– être actives sur une gamme étendue de températures ; impasse [28]. La seconde génération vise à utiliser des produits
– avoir une durée de vie importante ; non alimentaires à base de lignocellulose. Elle vise à utiliser des

Hydrolyse Sucres Fermentation Éthanol

Chaumes
de graminées Butanol
Bois et déchets Prétraitement Chaleur
forestiers
Cultures Essence
spécialisées Diesel
Gazéification Syngaz Fischer-Tropsch
Kérosène
synthétiques
Pyrolyse Fioul bio Hydrotraitement
Huiles
Transesterification Biodiesel
végétales
Algues Hydrogène
voies utilisant des technologies physiques et chimiques, technologies matures

voies utilisant des technologies physiques et chimiques, technologies relevant de la R&D
voies biotechnologiques matures
voies biotechnologiques relevant de la R&D
Figure 3 – Principales voies de production de biocarburants (modifié, d’après [28])
productions végétales plus économes en intrants et devrait réduire ■ L’inventaire des extrêmophiles capables de se développer sur de
la production de gaz à effet de serre de moitié. la lignocellulose a été réalisé sur de nombreux groupes. Les
archées de la famille des Thermococcales, qui sont les hétéro-
Pour une vue générale de cette question on consultera le
trophes les plus thermophiles, constituaient une cible potentielle.
dossier [RE 110] Biocarburants de seconde génération des
Cependant, aucune souche connue ne peut se développer sur de la
Techniques de l’Ingénieur.
lignocellulose. D’une manière générale mais surprenante, aucune
Les principales voies de production de biocarburants sont archée cultivée à ce jour n’est capable de se développer sur un
indiquées sur la figure 3. La seconde génération utilisera une substrat à base de cellulose cristalline. Ce sont des bactéries ther-
biomasse végétale complexe composée de cellulose (30-50 %), mophiles de la famille des Clostridiales qui présentent les proprié-
d’hémicellulose (20-40 %) et de lignine (15-30 %). tés les plus remarquables pour cet objectif et en particulier les
espèces suivantes : Clostridium thermocellum (Topt = 60 oC), Caldi-
La clé du succès repose dans la capacité à transformer dans des cellulosiruptor kristjansonii (Topt = 78 oC) et Anaerocellum thermo-
conditions économiquement rentables les composés lignocellulo- philum (Topt = 75 oC). Ces espèces se développent sur de la
siques en sucres. La lignocellulose est contenue dans la paroi des cellulose cristalline et produisent du lactate, de l’acétate, de l’étha-
cellules des végétaux et accessible à faible coût dans les résidus nol, de l’hydrogène et du CO2 . D’abord découvert chez C. thermo-
d’exploitation forestière, les chaumes de céréales, et dans les cul- cellum, un complexe multiprotéique de haut poids moléculaire est
tures dédiées de type peupleraies. Les problèmes à résoudre sont sécrété. Il s’attache à l’extérieur de la membrane cellulaire et
multiples : constitue le cellulosome. Présents chez de nombreuses bactéries
– la cellulose est constituée de régions amorphes hydrolysables et champignons, les cellulosomes sont capables d’hydrolyser la
et de régions ordonnées (cellulose cristalline) récalcitrantes à cellulose cristalline. Outre les domaines de liaison, un cellulosome
l’hydrolyse enzymatique ; comporte des cellulases, des xylanases, des mannanases, des ara-
– élimination des prétraitements chimiques à la rentabilité non binofuranosidases, des lichenases et des pectines lyases [29]. Les
assurée ; recherches en cours, sur la base des outils d’ingénierie molécu-
– élaboration de procédés combinant traitements enzymatiques laire, visent à améliorer les performances des cellulosomes natu-
et physico-chimiques ; rels pour des applications industrielles. Compte tenu du nombre
très élevé de partenaires protéiques du cellulosome et des proprié-
– réduction de la production de pentoses non convertibles en tés de certains constituants, une optimisation à des fins indus-
biocarburants à partir d’hémicellulose, etc. trielles passe par la recherche de combinaisons originales. Dans ce
La cellulose peut être hydrolysée au moyen de l’action combinée cadre, les glycosides hydrolases des archées hyperthermophiles
d’au minimum trois enzymes : une endoglucanase (cellulase), une retrouvent un intérêt, notamment pour la construction de
exoglucanase (cellobiohydrolase) et une β-glucosidase (cellobiase). complexes chimériques.
Une approche encore plus radicale consiste à élaborer à partir
de différents modules un cellulosome chimérique, voire synthé-
La recherche a pour objectif clair l’obtention d’un complexe tique répondant aux besoins industriels. Plusieurs travaux en ce
d’enzymes capables de convertir la lignocellulose en sucres sens ont été réalisés et la compétition internationale est très active
pouvant ensuite être fermentés pour produire des biocarbu- en raison des enjeux financiers que mobilise le Energy Policy Act
rants. Les extrêmozymes (ou enzymes d’extrêmophiles) possè- 2005 des États-Unis. Sur la base de domaines de C. thermocellum
dent de nombreux atouts dans cette compétition. et de l’archée hyperthermophile Sulfolobus solfataricus, un

enzymes impliquées dans la dégradation de la lignocellulose, dont

des xylanases thermostables (brevet WO/2009045627), des glucana-
ses (WO 2009/020459, voir Pour en savoir plus).
Paroi cellulaire végétale
L’Union européenne est moins agressive sur ce secteur que les
USA, probablement en raison de l’absence d’un équivalent euro-
E1 E2 E3 péen du Energy Act de 2005 et de la réticence à convertir massive-
ment des terres agricoles en surfaces consacrées à la production
d’énergie de substitution au pétrole.
Da CBD Db Dc
Ca Cb Cc 3.3.1.5 Autres enzymes

SLH
De nombreuses autres enzymes d’extrêmophiles présentent un
intérêt biotechnologique potentiel :
CBD Domaine de liaison au glucide
– l’alcool déshydrogénase (EC 1.1.-) : elle est utilisable dans les
réductions énantiosélectives ; oxydation des alcools secondaires ;
D – les décarboxylases (EC 4.1.1) : elles catalysent la formation et
Dockérine
le clivage des liaisons C—C ; réaction clé dans la production de
C Cohésine
blocs chiraux en synthèse de produits pharmaceutiques ;
– les cytochromes P450 oxydoréductases (EC 1.6.2.4) : transfert
SLH Domaine homologue couche S d’électron aux cathodes dans les piles à combustibles ;
– les hydroxylases aromatiques (EC 1.14.13.-) : production de
composés phénoliques réactifs à partir de substances
Figure 4 – Organisation schématique d’un cellulosome minimum aromatiques ;
– les nitrilases (EC) : conversion de nitriles en acides carboxy-
liques.
complexe thermostable fonctionnel de 18 sous-unités, appelé
« rosettasome », a été ainsi construit comme preuve du
concept [30]. Un second travail très récent décrit la construction 3.3.2 Biopolymères
d’un minicellulosome fonctionnel chimérique entre la levure et
trois domaines cohésines/dockérines divergents de C. thermo- Les biopolymères offrent sans nul doute de nombreuses oppor-
cellum, C. cellulolyticum et Ruminococcus flavofaciens [31], tunités en matière de nouveaux matériaux et/ou de propriétés phy-
(figure 4). Le cellulosome est relié à la surface cellulaire par un sico-chimiques et biologiques nouvelles. Ces biopolymères
complexe d’ancrage comportant l’ancre (domaine homologue bactériens présentent quelques atouts comme l’absence de dépen-
couche S) et un échafaudage primaire. Ce dernier est relié à un dance vis-à-vis d’aléas climatiques, écologiques et politiques pou-
échafaudage souple capable de s’adapter à la géométrie complexe vant affecter la qualité, le coût et l’approvisionnement de leurs
de la paroi végétale et porte un domaine de liaison au glucide homologues extraits d’algues, de plantes ou d’animaux. Les possi-
(CBD) et un jeu variable de couples cohésine/dockérine. Les docké- bilités d’agir sur les conditions de fermentation (sources de car-
rines portent les domaines catalytiques. Dans le modèle de mini- bone, température, aération, pH, etc.) en vue d’optimiser la
cellulosome de Tsai [31], le couple Ca-Da provient de C. production, d’assurer la traçabilité, mais aussi de modifier le poly-
thermocellum, Cb-Db de C. cellulolyticum et Cc-Dc de R. flavefa- mère produit, jouent également en faveur de la fermentation bac-
ciens. E1, E2 et E3 correspondent aux cellulases. térienne. Deux types de biopolymères ressortent en termes
d’applications biotechnologiques, les exopolysaccharides (EPS) et
Les raisons de l’absence de cellulases primaires capables d’ini- les polyhydroxyalcanoates (PHA).
tier la dégradation de la lignocellulose chez les archées ne sont
pas connues. Par contre, les archées hyperthermophiles possèdent
des cellobiohydrolases et des β-glucosidases pouvant présenter un 3.3.2.1 Exopolysaccharides
intérêt dans le cadre de cellulosomes synthétiques. Ces enzymes
possèdent un domaine catalytique mais sont dépourvues de
domaine de liaison au carbohydrate (CBM ou carbohydrate bin- Les polysaccharides peuvent être définis comme des macro-
ding domain ). Les CBM sont toutefois présents chez les chitinases molécules formées de l’enchaînement de motifs similaires en
de P. furiosus et de Thermococcus kodakaraensis et pourraient l’occurrence de glucides appelés couramment « sucres » ou
être utilisés pour créer de nouvelles cellulases primaires capables « oses ».
de convertir la lignocellulose à haute température [32].
Le secteur des biocarburants est soumis à une vive compétition. Initialement dominé par les gommes d’origine végétale et algale,
Les investissements des grandes compagnies pétrolières en direc- le marché s’ouvre également aux polysaccharides bactériens. En
tion du secteur des biotechnologies se multiplient. De nombreuses milieu marin, cette production semble être majoritairement le fait de
compagnies de biotechnologie ont investi le secteur aux USA parmi souches appartenant aux genres Alteromonas, Pseudomonas,
lesquelles Mendel, LS9, Amyris, Verenium, OPX Biotechnologies, Pseudoalteromonas, Shewanella et Vibrio [33]. Certaines souches
Genencor et Synthetic Genomics. Le développement de partena- de ces espèces isolées à partir des grands fonds marins possèdent
riats entre deux types d’acteurs complémentaires est entré dans une des propriétés uniques. Chez les bactéries, ces polysaccharides sont
phase très active. Ont été ainsi établis les partenariats Mendel/Mon- présents au niveau de la paroi cellulaire, constituants essentiels des
santo en 2007, LS9/Procter & Gamble en 2009, Verenium/BP en 2009 lipopolysaccharides (LPS), à l’extérieur de la cellule, soit liés à cette
avec la constitution d’une filiale commune (Vercipia Biofuels), etc. même cellule (polysaccharide capsulaire) ou relargués dans le
En juillet 2009, Exxon a annoncé 600 M$ d’investissement dont 300 milieu de culture sous forme d’exopolysaccharides (EPS). Dans la
M$ pour la seule entreprise de biotechnologie Synthetic Genomics nature, ces exopolysaccharides remplissent plusieurs fonctions, cel-
Inc., en vue d’élaborer un micro-organisme au génome composite les d’une barrière physique favorisant la lutte contre la phagocytose
optimisé pour la production de bioéthanol. Certaines compagnies, ou encore contre la dessiccation, une réponse à un stress environ-
telles que Verenium, commercialisent déjà des enzymes issues nemental, ou encore une fonction essentielle dans les processus
d’archées hyperthermophiles (par exemple la Pyrolase, probable- d’interactions et reconnaissances cellulaires. Mais surtout, et parmi
ment issue d’un Pyrococcus ) et ont breveté de nombreuses les mieux décrites, il y a celle d’assurer la fixation irréversible des

micro-organismes sur les surfaces exposées en milieu naturel et de tés aux conditions physico-chimiques de l’Antarctique ont eux
favoriser, en concentrant et piégeant la matière organique et les aussi prouvé leur capacité à synthétiser des polysaccharides inno-
oligo-éléments nécessaires à la croissance de ces bactéries, la for- vants dont on commence maintenant à découvrir le potentiel
mation d’un voile biologique (ou biofilm) [34] [35] [36]. biotechnologique [51] [52]. À l’opposé, peu de micro-organismes
Agir sur les conditions de fermentation ou encore sur le matériel thermophiles, et surtout hyperthermophiles, ont été identifiés
génétique des micro-organismes constituent des axes de comme synthétisant, en conditions de laboratoire, des
recherche auxquels vient naturellement s’ajouter celui de la décou- exopolysaccharides [53]. Il convient néanmoins de citer les travaux
verte de nouveaux micro-organismes capables de synthétiser ces de B. Nicolaus (Insituto di Chemica Biomoleculare, Naples, Italie)
polysaccharides. La seconde approche apparaît encore incertaine sur la caractérisation d’exopolysaccharides produits par des bacté-
tant la biosynthèse des exopolysaccharides est la résultante d’un ries isolées de sources hydrothermales peu profondes [54]. Enfin
processus complexe impliquant un grand nombre d’enzymes par- un dernier groupe mérite une attention toute particulière au regard
fois très spécifiques de la seule synthèse de ces macromolécules. de développements technologiques, les bactéries halophiles, dont
Dans l’optique de la mise en évidence de nouveaux micro-orga- le potentiel en termes de production d’exopolymères a également
nismes producteurs, les environnements extrêmes se présentent été démontré et des applications envisagées [55] [56].
alors comme un champ d’investigation privilégié pour cette
recherche de nouvelles espèces et de biomolécules aux propriétés
originales. 3.3.2.2 Polyhydroxyalcanoates (PHA)
Plus de 30 exopolysaccharides présentant des propriétés intéres-
Près de 300 millions de tonnes de matériaux plastiques dérivés
santes ont été mis en évidence depuis la découverte des sources
de la pétrochimie sont produits chaque année dont 80 % sont des-
hydrothermales. Mais les résultats les plus marquants restent la
tinés aux besoins de la vie courante. Les polymères biodégra-
détermination de structures polysaccharidiques complexes
dables constituent une alternative à ce type de matériaux et sont
(linéaires et multiramifiées) [37], la caractérisation de sucres
susceptibles de limiter les problèmes associés à leur devenir dans
originaux [38] mais surtout la synthèse d’un polysaccharide pré-
la nature. Selon plusieurs analyses, le marché de ces polymères
sentant de fortes similitudes de structure avec l’acide hyaluro-
biodégradables pourrait prendre, dans les prochaines décades,
nique. Ce nouveau polysaccharide linéaire bactérien dont l’unité
entre 10 et 20 % du marché des matériaux plastiques. De plus,
répétitive est composé de 3 sucres (N-acétyl glucosamine, N-acétyl
l’évolution des législations en matière de développement durable,
galactosamine et acide glucuronique) dans un rapport molaire
de réduction de l’effet de serre et rejets de CO2 , une meilleure ges-
1/1/2 [39] [40] possède des propriétés intéressantes en termes de
tion des déchets ainsi qu’une volonté d’une réduction de la dépen-
régénérations osseuse et dermique, laissant entrevoir un dévelop-
dance vis-à-vis des matières premières importées, plaident en
pement dans le domaine des biomatériaux [41] [42] [43]. Les méca-
faveur du développement de ces biopolymères.
nismes d’action de ce polymère, y compris son effet systémique,
sont encore mal connus même si le rôle des protéoglycanes et de Seuls les polyhydroxyalcanoates (PHA) bactériens doivent être
polysaccharides dans le contrôle de certaines cytokines comme les considérés comme des biopolymères biodégradables. Ces biopoly-
facteurs de croissance et l’interféron-gamma par crinopexie mères sont accumulés au sein des cellules bactériennes sous
(potentialisation de l’activité, régulation de la biodisponibilité et de forme de granules lorsqu’un nutriment nécessaire à la croissance
la stabilité) est quant à lui accepté. bactérienne devient limitant en présence d’un excès de substrat
L’ajout ou la suppression de groupements fonctionnels sont par- carboné. Les propriétés physico-chimiques des PHA dépendent de
fois recherchés dans le but d’obtenir une activité biologique spéci- leur composition chimique, elle-même influencée par la nature de
fique. Un dérivé de bas poids moléculaire (24 000 g/mol) et la source carbonée utilisée pour la croissance des bactéries et la
fortement sulfaté (40 %) a pu ainsi être obtenu à partir d’un exopo- synthèse de PHA, ce qui offre une large gamme de produits cou-
lysaccharide secrété en conditions de laboratoire par la bactérie vrant de nombreux domaines d’application : l’environnement
Alteromonas infernus isolée du fluide d’un site hydrothermal du (emballages biodégradables, films...), les produits d’hygiène, agri-
bassin de Guaymas (Basse Californie) [44]. L’étude de son méca- culture et horticulture, la chimie (synthèse, adhésifs, résines,
nisme d’action par l’équipe du Professeur Fischer (HEGP Paris) a encres...), la cosmétologie, l’industrie automobile et le secteur
montré que, tout comme l’héparine, ce dérivé inhibe la génération médical, notamment en tant que biomatériaux utilisés pour la réa-
de thrombine après activation de la coagulation par la phase lisation de sutures, de prothèses, ou la synthèse de nouveaux
contact (voie endogène) et retarde la génération de thrombine médicaments et pour la délivrance contrôlée de médicaments et
déclenchée par activation de la phase contact. Il a pu également de produits actifs. Selon les applications recherchées, ces biopoly-
être montré que toutes les chaînes polysaccharidiques se lient for- mères peuvent alors être considérés à l’état natif ou après modifi-
tement à l’antithrombine (inhibiteur plasmatique naturel de la cations chimiques (époxydation, ajouts de groupements
thrombine et de certains facteurs de la coagulation), contrairement hydrophiles ou hydrophobes, réticulation, fonctionnalisation, car-
à l’héparine non fractionnée dont seulement 1/3 des chaînes (con- boxylation, etc.). Toutes ces possibilités de modifications élar-
tenant le pentasaccharide) sont de haute affinité pour gissent de manière très significative les champs d’applications de
l’antithrombine [45] [46]. À ces exemples de potentiel de ces molé- ces biopolymères [57].
cules de l’extrême, il convient d’ajouter les études prometteuses
menées en oncologie sur l’apport de ces biomolécules sur la spéci- Le milieu marin et a fortiori les milieux extrêmes n’ont que peu
ficité et/ou l’efficacité d’anticorps monoclonaux utilisés en immu- contribué à la découverte de nouvelles souches bactériennes
nothérapie. capables de synthétiser de manière significative ce type de biopo-
lymères. Ce potentiel doit néanmoins exister si l’on se réfère aux
Dans un tout autre domaine, les potentialités liées à la rhéologie études menées sur les sédiments hydrothermaux du bassin de
de ces polysaccharides [47] [48] [49] et/ou à leur pouvoir de réten- Guaymas en Basse-Californie démontrant la présence d’acides
tion (voire de sélectivité) de métaux lourds et radioactifs [50] pour- hydroxalcanoïques innovants [58]. Néanmoins, à ce jour, seul un
raient trouver des applications dans le domaine de la récupération nombre limité de micro-organismes originaires de ces environ-
assistée du pétrole ou en biodétoxification d’environnements nements extrêmes a été démontré comme capable de synthétiser,
contaminés. en conditions de laboratoires, ces PHA [59] [60]. Mais il est fort à
Si les sources hydrothermales et les bactéries associées appa- penser que le développement de nouvelles techniques de criblage
raissent alors comme des sources de métabolites innovants en et notamment via la biologie moléculaire, la métagénomique mais
particulier en termes d’exopolysaccharides, d’autres écosystèmes plus généralement une meilleure connaissance du fonctionnement
à caractère extrême comme ceux présents au niveau du continent de ces écosystèmes microbiens extrêmes, conduiront à de
antarctique présentent un intérêt majeur. Les psychrophiles adap- nouvelles découvertes en ce domaine.

Tableau 2 – Principaux extrêmolytes et leurs applications [10]

Extrêmolytes Applications principales
Ectoine – Stabilisation des enzymes aux températures extrêmes et à la lyophilisation
– Protection des anticorps contre les protéases
– Stabilisation et protection des cellules pendant la congélation et le stockage
– Osmoprotection des bactéries lactiques
– Protection de la peau contre les UV, la déshydratation et le gel
– Cytoprotection des kératinocytes
Hydroxyectoine – Protection contre les dommages oxydatifs des protéines
– Protection des immunotoxines contre les dommages des congélations/décongélations
– Amélioration de la fonctionnalité des protéines recombinantes
– Stabilisation de vaccins rétroviraux
– Induction de la thermotolérance chez E. coli
α-diglycérol-phosphate (DGP) – Thermostabilisation des protéines
Mannosylglycérate – Stabilisation protéines et enzymes
– Stabilisation des vaccins rétroviraux
3.3.3 Extrêmolytes pour optimiser les actifs biologiques : l’ingénierie moléculaire et la

génomique synthétique.
Cette dernière approche est dans une phase expérimentale, mais
Les osmolytes organiques synthétisés par les extrêmophiles, elle est porteuse de promesses (et de dangers) considérables. La
afin de protéger leurs composants cellulaires des effets induits synthèse de novo de génomes artificiels n’est déjà plus une fiction
par les conditions environnementales extrêmes et leur et la preuve du concept a été délivrée par Synthetic Genomics [61].
permettre de fonctionner à l’optimum dans ces conditions, sont Cette démarche ouvre l’ère de l’ingénierie génomique et la possibi-
appelés extrêmolytes. lité de concevoir et construire des micro-organismes (bactéries,
archées, protistes, microalgues) en fonction d’une utilisation
industrielle et commerciale donnée. À l’évidence, ces approches
Le tableau 2 présente les principaux extrêmolytes et leurs appli- devront être encadrées par des règles de bioéthique strictes.
cations.
L’ectoine est produite industriellement à partir de cultures de
Halomonas elongata. D’autres applications hypothétiques de
l’ectoine pourraient concerner l’agroalimentaire, avec notamment 4. Conclusion
la conservation de produits basée sur la stabilisation des
constituants cellulaires. L’intérêt grandissant porté aux extrêmophiles et aux applications
biotechnologiques qu’ils recèlent tient beaucoup au fait qu’il s’agit
d’une nouvelle frontière à explorer. En outre, les extrêmophiles
3.4 Au-delà des extrêmophiles : évolution nous amènent à réviser les connaissances de base en biologie.
dirigée et génomique synthétique Leurs constituants biologiques possèdent des propriétés directe-
ment intéressantes pour des applications industrielles existantes
L’exploitation des extrêmophiles ne devrait pas échapper aux dont ils peuvent optimiser les procédés. Ils ouvrent aussi des pers-
révolutions technologiques en cours. La méthode classique pectives de mise en œuvre de procédés biologiques nouveaux là où
d’obtention d’un produit à partir des cellules obtenues en culture les méthodes de chimie seules peinent à satisfaire les exigences
est aujourd’hui complétée par les approches de métagénomique. environnementales et à assurer la rentabilité des procédés.
Toutefois, ces deux approches ne délivrent que des produits Toutefois, les efforts à mettre en œuvre pour exploiter ce poten-
« naturels » au sens où ils découlent de la simple mise en œuvre tiel sont faibles en France et en Europe, en comparaison avec le
du programme inscrit dans le génome des organismes sources. Japon ou les USA. Des décisions politiques fortes sont attendues
Deux approches complémentaires sont aujourd’hui mobilisées pour valoriser au mieux ce potentiel dans les prochaines années.


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Biotechnologie des extrêmophiles

par Joël QUÉRELLOU

1. Extrêmophiles............................................................................................ BIO 580 - 2

n extrêmophile est un organisme vivant dans un milieu extrême.

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Les extrêmophiles sont des micro-organismes qui se déve-

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EXOMAR MEDECO 2007

Figure 2 – Exemples de milieux extrêmes propices à l’isolement d’espèces extrêmophiles

– B. arseniciselenatis est une halo-alcaliphile capable de réduire

plus d’imagination que nos rêves ».

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toujours requise, du fait que le milieu intérieur peut bénéficier de

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3.2.1 Biolixiviation des métaux

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Tableau 1 – Propriétés de différentes ADN polymérases thermostables et hyperthermostables

Demi-vie à 95 oC DNA (1)

Thermus aquaticus .............................. 45 1 4,0 24

Pyrococcus furiosus ............................ 1 140 6,2 0,7 16

Pyrococcus abyssi ............................... 600 6 – –

Thermococcus litoralis ........................ 300 2,9 0,07 41

Thermococcus kodakaraensis ............ 720 3,7 – –

Thermococcus fumicolans .................. 200 1,5 – –

Thermococcus sp. 9 oN-7 .................... – – 0,05 75

Thermococcus thioreducens .............. 127 1,7 0,66 10,5

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Hydrolyse Sucres Fermentation Éthanol

voies utilisant des technologies physiques et chimiques, technologies matures

Figure 3 – Principales voies de production de biocarburants (modifié, d’après [28])

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enzymes impliquées dans la dégradation de la lignocellulose, dont

Ca Cb Cc 3.3.1.5 Autres enzymes

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Tableau 2 – Principaux extrêmolytes et leurs applications [10]

3.3.3 Extrêmolytes pour optimiser les actifs biologiques : l’ingénierie moléculaire et la

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