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Article de référence | Réf : J6008 v1

Amélioration par modification des souches
Production d’antibiotiques par biotechnologies

Auteur(s) : Stéphane DELAUNAY, Emmanuel RONDAGS, Pierre GERMAIN

Relu et validé le 01 sept. 2016

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RÉSUMÉ

Après une introduction sur les antibiotiques et les souches productrices, cet article présente les caractéristiques générales de la physiologie des souches et quelques types de programmes d’amélioration ciblée par modification des souches. Enfin il détaille les étapes de la mise en oeuvre industrielle, afin d'obtenir une production de biomasse efficace, c'est-à-dire rapide et propre à la synthèse d'antibiotique pendant le plus longtemps possible. 

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Auteur(s)

  • Stéphane DELAUNAY : Maître de ConférencesInstitut national polytechnique de Lorraine

  • Emmanuel RONDAGS : Maître de ConférencesInstitut national polytechnique de Lorraine

  • Pierre GERMAIN : ProfesseurInstitut national polytechnique de Lorraine

INTRODUCTION

Depuis plus de 50 ans, l’antibiothérapie est le moyen de défense majeur contre les infections microbiennes. Parmi les fermentations industrielles, la production d’antibiotiques est l’un des secteurs les plus importants. Le criblage de souches productrices d’antibiotiques naturels a conduit à la production des antibiotiques dits de première génération. Ces micro-organismes (champignons et bactéries) se caractérisent généralement par une production qui ne se passe qu’après la croissance active, pendant des phases de stress, phases correspondant à une différenciation morphologique et à une différenciation physiologique.

Soumise à un contrôle très strict, la production par des micro-organismes non génétiquement modifiés est toujours très faible. Très tôt, des programmes d’amélioration de la production par modification des souches ont été mis en œuvre. Ces programmes ont fait d’abord appel à la mutagenèse aléatoire. De nombreux progrès ont été réalisés : élucidation des voies métaboliques de synthèse des antibiotiques et des régulations de ces voies, étude des gènes impliqués, compréhension des mécanismes de résistance des souches aux antibiotiques qu’elles produisent. Avec le développement du génie métabolique et du génie génétique, ces progrès permettent actuellement des modifications génétiques mieux ciblées. Les techniques récentes d’évolution moléculaire dirigée permettent même d’envisager la production de nouveaux antibiotiques hybrides par recombinaison de gènes entre diverses souches productrices.

Cet article se propose, après quelques généralités sur les antibiotiques et les souches productrices, de développer les caractéristiques générales de la physiologie des souches, connaissances essentielles pour les programmes d’amélioration ciblée des souches et pour la conduite des procédés de production. La production de l’antibiotique désiré sous forme purifiée nécessiterait un examen des techniques d’extraction et de purification, mais ce point a été développé dans l’article [J 6 470] avec l’exemple de la pénicilline ; il ne sera donc que brièvement rappelé.

Actuellement, la plupart des antibiotiques utilisés sont des dérivés semi-synthétiques. Ces antibiotiques dits de deuxième ou de troisième générations sont produits à partir des antibiotiques naturels, par modifications chimiques qui tiennent compte des études de la relation structure-activité. L’objectif est d’améliorer la posologie, d’étendre le spectre d’activité, de lutter contre les résistances acquises des micro-organismes cibles à éradiquer. Cette partie chimique de la production d’antibiotiques ne sera pas développée ici.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j6008


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3. Amélioration par modification des souches

Les stratégies d’amélioration visent à accroître la concentration finale en produit, à réduire la production de cométabolites indésirables. Des considérations telles que le mode d’utilisation des souches productrices sont aussi prises en compte. Deux grandes catégories d’approches sont utilisées pour l’amélioration : la mutagenèse aléatoire et le génie métabolique (figure 4).

La mutagenèse aléatoire ne nécessite pas de connaissance préalable, ni du génome ni de la physiologie des souches traitées. La mutagenèse induit des modifications génétiques au sein du génome sans que la localisation de ces dernières puisse a priori être connue.

Le génie métabolique peut être défini comme l’amélioration des potentialités d’une cellule par la manipulation de fonctions enzymatiques bien ciblées, grâce à l’emploi de la technologie de l’ADN recombiné  ; il repose sur une connaissance précise des fonctions cellulaires à modifier ainsi que des gènes qui leur sont associés.

Bien que le génie métabolique ait tendance à être considéré comme la méthodologie de pointe, la mutagenèse aléatoire, qui a permis à ce jour l’obtention de la quasi-totalité des améliorations de la production industrielle des antibiotiques, continue à être utilisée dans les laboratoires de développement des procédés.

3.1 Amélioration par mutagenèse aléatoire

L’un des exemples les plus significatifs de l’apport de cette méthodologie est l’amélioration de la production de pénicilline, passée progressivement de quelques milligrammes à 40 grammes par litre (cf. article ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LARPENT (J.P.), SANGLIER (J.J.) -   Biotechnologie des antibiotiques  -  . Masson et Cie, Paris (1989).

  • (2) - GLAZER (A.N.), NIKAIDO (H.) -   Microbial biotechnology  -  . W.H. Freeman and Company, New York, p. 431-515 (1998).

  • (3) - BIBB (M.) -   The regulation of antibiotic production in Streptomyces coelicolor A3(2)  -  . Microbiol. 142, p. 1335-1344 (1996).

  • (4) - CHATER (K.F.) -   Taking a genetic scalpel to the Streptomyces colony  -  . Microbiol. 144, p. 1465-1478 (1998).

  • (5) - PONS (M.N.), DROUIN (J.F.), LOUVEL (L.), VANHOUTTE (B.), VIVIER (H.), GERMAIN (P.) -   Physiological investigations by image analysis  -  . J. Biotechnol. 65, p. 3-14 (1998).

  • (6) - DROUIN (J.F.), LOUVEL (L.), VANHOUTTE (B.), VIVIER (H.), PONS (M.N.), GERMAIN (P.) -   Quantitative characterization of cellular differentiation of Streptomyces ambofaciens in submerged...

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