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Article

1 - RESSOURCES MICROBIENNES HALOPHILES

2 - MICRO-ORGANISMES HALOPHILES

3 - APPLICATIONS BIOTECHNOLOGIQUES DES HALOPHILES

4 - OUTILS MOLÉCULAIRES DES HALOPHILES

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BIO9045 v1

Glossaire
Micro-organismes halophiles - Applications biotechnologiques

Auteur(s) : Laurent TOFFIN

Date de publication : 10 juin 2020

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RÉSUMÉ

La biotechnologie industrielle procure des outils innovants pour produire et utiliser de façon durable des ressources biologiques et les transformer en biomatériaux, biopolymères et biocarburants. Cependant, cette transition économique reste moins concurrentielle que le génie chimique. Les propriétés physiologique et métabolique uniques en particulier leur capacité d’adaptation aux fortes salinités font des micro-organismes halophiles des modèles d’étude pour l’industrie biotechnologique. Le développement d’outils génétiques et d’approches de métagénomique autorise désormais l’amélioration des performances de production de biomolécules à partir de micro-organismes halophiles.

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ABSTRACT

Halophilic microorganisms

Industrial biotechnology aims to provide innovative tools to produce and to transform biological resources into biomaterials, biopolymers and biofuels independently from petroleum sources. However economical transition to industrial biotechnology is still less competitive than oil-dependent chemical processes. Due to their unique properties in physiology, metabolism, specially their adaptation to high salt concentrations, halophilic microorganisms are models for industrial biotechnolgy. The development of genetic tools and the advances in metagenomic approaches strongly improved the yield production of biomolecules from halophilic microorganisms.

Auteur(s)

  • Laurent TOFFIN : Cadre de recherche à l’Ifremer, centre Bretagne - Laboratoire de Microbiologie des Environnements Extrêmes UMR 6197 Ifremer/CNRS/UBO, Plouzané, France

INTRODUCTION

En réponse au contexte environnemental relatif à l’épuisement des réserves énergétiques fossiles, à l’accumulation de polluants anthropiques et à leur impact sur les changements globaux, le XXIe siècle s’oriente fortement vers le développement des biotechnologies visant à valoriser les organismes ou composés issus de ressources biologiques. La valorisation des ressources renouvelables d’origines biologiques, indépendamment de l’industrie pétrochimique est aujourd’hui largement démocratisée.

La découverte de micro-organismes extrêmophiles et leurs propriétés originales sont porteurs d’espoirs pour la recherche et les applications industrielles et biotechnologiques. Bien que les environnements dits extrêmes soient hostiles à la vie humaine, ils sont colonisés par des micro-organismes extrêmophiles adaptés. Plusieurs conditions extrêmes peuvent coexister et les micro-organismes sont alors poly-extrêmophiles. Les premiers extrêmophiles connus sont des halophiles ; organismes « qui aiment le sel ». Ils ont été découverts dans des environnements hypersalins. Les milieux hypersalins font partie des environnements extrêmes car les concentrations en sels sont supérieures à celles de l’eau de mer et peuvent parfois atteindre la saturation dans certains lacs, déserts ou bassins. Les environnements hypersalins sont nombreux sur la surface terrestre : mer morte, grand lac salé, Salar d’Uyumi, marais salants, bassins hypersalés sous-marins, …

Toute cellule vivante baigne dans une solution saline qui contient essentiellement du chlorure de sodium (NaCl) et une concentration équivalente en chlorure de potassium (KCl). Les fonctions vitales d’une cellule dépendent étroitement des concentrations en NaCl et KCl de part et d’autre de la membrane cellulaire. À faible concentration, le sel est indispensable au fonctionnement de la cellule. Pourtant aux fortes concentrations, le sel peut empêcher la vie puisqu’une différence importante de concentration en sels entre les milieux intérieur et extérieur provoque la sortie d’eau. Étonnamment, les milieux ultrasalins ne sont pas stériles. En effet, des communautés microbiennes dites halophiles prolifèrent dans les habitats où les sels (essentiellement du NaCl et MgCl2) ont été concentrés à la limite de leur solubilité (5 à 6 molaires), soit plus de dix fois la concentration dans l’eau de mer. Ces microbes sont la seule forme de vie possible dans les grands lacs salés ou dans les marais salants du littoral français. Or les micro-organismes halophiles sont une source de biomolécules aux fonctions, propriétés et structures variées et originales qui sont exploitées dans de nombreuses applications biotechnologiques et font pour la plupart partie de notre quotidien.

La biotechnologie industrielle s’est développée de manière substantielle lorsqu’il a fallu remplacer l’industrie chimique basée sur les produits du pétrole. Cependant les coûts de production de ressources biologiques telles que les bioplastiques, biofuels et les composés biochimiques restent extrêmement élevés par rapport aux mêmes produits d’origine chimique. Les matériaux de base ou substrats tel que le glucose issu de l’hydrolyse de l’amidon ont vu leur prix de production augmenter très rapidement. Les processus d’origine biologique nécessitent aussi beaucoup d’eau. Enfin, les processus de fermentation sont le plus souvent réalisés de manière discontinue afin d’éviter les risques de contaminantion microbienne qui engendrent un abaissement des taux de production.

Les micro-organismes halophiles montrent des propriétés métaboliques intéressantes en produisant des biomolécules de grande valeur ajoutée. Récemment, le développement d’outils génétiques et moléculaires facilite la production d’une large gamme de produits. Les halophiles sont une source d’enzymes stables qui fonctionnent à fortes salinités. La plupart des halophiles accumulent également de façon naturelle dans leurs cellules des polyhydroxyalcanoates (PHA), qui sont des plastiques biodégradables. Certains composés bioactifs sont utilisés comme antioxydant ; crème solaire et antibiotique. De nombreux exemples portent sur la synthèse de produits chimiques tels que ectoïne, hydroxy-ectoïnes, glycine et bétaïne comme agents stabilisants et de protection contre les stress cellulaires. Certains halophiles produisent également des biosurfactants et bioémulsifiants.

Les halophiles ont un grand nombre d’applications biotechnologiques potentielles et les espèces microbiennes halophiles représentatives sont des bons candidats pour la production de molécules d’intérêt biotechnologique en vue de leur utilisation dans l’industrie. Cet article résume les pistes de valorisation industrielle des modèles microbiens halophiles.

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KEYWORDS

Biotechnology   |   polyhydroxyalkanoate PHA   |   ectoine

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-bio9045


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6. Glossaire

ATP : ATP

Adénosine Tri Phosphate, source majeure d’énergie de la cellule puisqu’il possède deux liaisons chimiques riches en énergie.

Cellule de Langerhans ; Langerhans cell

Cellule cutanée jouant un rôle dans la défense immunitaire.

Chimiocline ; chemocline

Interface chimique existant entre différentes couches d’eau de mer ou de lac lorsque celles-ci ne se mélangent pas.

Endoréique ; endorheic

Se disent des régions dont les eaux fluviales ne gagnent pas la mer. Elles couvrent environ 11 % de la superficie continentale.

Halite ; halite

Composé chimique de chlorure de sodium (NaCl) sous forme de minéral.

Halophile extrême ; extreme halophile

Micro-organisme nécessitant la présence d’une grande quantité de sel (NaCl) pour sa croissance généralement plus de 10 %, voire proche de la saturation.

Halophile ; halophile

Micro-organisme nécessitant du NaCl pour sa croissance.

Halototérant ; halotolerant

Micro-organisme ne nécessitant pas de NaCl pour sa croissance, mais capable de se développer en présence de sel jusqu’à des concentrations importantes.

Osmolarité ; osmolarity

Nombre de moles en solution qui interviennent dans la pression osmotique s’exerçant sur une membrane. Elle se mesure en osmole par litre. Une osmole est une mole de particules effectivement en solution. Une solution à 1 mol/L de NaCl correspond à une osmolarité de 2 osmol/L.

Plasmolyse ; plasmolysis

État cellulaire lorsque la membrane se décolle de la paroi suite à une perte d’eau.

Salinité ; salinity

La salinité absolue de l’eau de mer est définie comme étant le rapport entre la masse de matières solides dissoutes et la masse totale de l’eau de mer. Cette quantité n’étant pas directement mesurable, une salinité pratique est définie en fonction de la conductivité électrique de l’eau. La salinité s’exprime par des nombres sans dimension ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DASSARMA (P.), ZAMORA (R.C.), MULLER (J.A.), DASSARMA (S.) -   Genome-Wide Responses of the Model Archaeon Halobacterium sp Strain NRC-1 to Oxygen Limitation.  -  Journal of Bacteriology, 194, 5530-5537, doi : 10.1128/jb.01153-12 (2012).

  • (2) - LAZAR (C.S.), PARKES (R.J.), CRAGG (B.A.), L'HARIDON (S.), TOFFIN (L.) -   Methanogenic diversity and activity in hypersaline sediments of the centre of the Napoli mud volcano, Eastern Mediterranean Sea.  -  Environmental Microbiology, 13, 2078-2091, doi : 10.1111/j.1462-2920.2011.02425.x (2011).

  • (3) - LA CONO (V.) et al -   Unveiling microbial life in new deep-sea hypersaline Lake Thetis. Part I: Prokaryotes and environmental settings.  -  Environmental Microbiology, 13, 2250-2268, doi : 10.1111/j.1462-2920.2011.02478.x (2011).

  • (4) - MADIGAN (M.T.), MARTINKO (J.M.) -   Brock Biology of microorganisms, 11th edition.  -  Pearson Education Inc./Prentice hall (2007).

  • (5) - OREN (A.) -   Diversity of halophilic microorganisms: Environments, phylogeny, physiology, and applications.  -  Journal...

1 Sites Internet

OCDE Organisation de coopération et de développement économiques http://www.oecd.org/fr

European Bioplastics Nova-Institut https://www.european-bioplastics.org/tag/nova-institut

Société Tepha https://www.Tepha.com

Food and drug administration https://www.fda.gov

National Center for Biotechnology Information NCBI https://www.ncbi.nlm.nih.gov

Banque de données « HaloWeb » https://halo.umbc.edu

Banque de données « Halodom » http://halodom.bio.auth.gr

GOLD Genome OnLine Database https://gold.jgi.doe.gov/

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