Ingénierie fermentaire

Apprivoiser l’inconnu, optimiser les rendements

La découverte, le développement et la production d'un composé actif exige un grand travail d'optimisation. En amont des étapes de criblage et d'identification, l’unité d’ingénierie fermentaire recherche les conditions de culture appropriées à des espèces microbiennes non cultivées ou considérées comme incultivables. Elle est ainsi capable de révéler la plupart, voire l’intégralité, des espèces bactériennes présentes dans un échantillon environnemental. Une fois que le composé a été identifié, l'équipe établit les conditions de fermentation qui permettent de minimiser le stress microbien et d’activer les voies métaboliques impliquées dans la synthèse du composé. À cette étape, l’unité définit les paramètres critiques qui conditionnent le rendement et la qualité du produit et donc en retour la stabilité de sa production, à l’échelle préindustrielle puis industrielle.

Activités principales

Culture avancée

En amont des tests, les souches bactériennes de l’échantillon environnemental (par essence très diverses et majoritairement jamais cultivées) sont isolées. À cette étape, l’équipe collabore étroitement avec l'unité de biodiculture afin de décrypter le comportement individuel des souches et des espèces présentes dans l’échantillon et déterminer les conditions qui permettront de les cultiver en laboratoire. Différentes techniques de culture, en milieux solide et liquide, sont utilisées : cocultures en présence d'autres bactéries, recréation des conditions environnementales d'origine, incubation en mini-bioréacteur, autres conditions ou milieux de culture, naturels ou synthétiques.

Optimisation des bioprocédés

Pour améliorer la production d'un métabolite endogène ou pour induire la synthèse d'un nouveau composé, l’unité développe une approche adaptée à chaque souche bactérienne. Cette phase d’optimisation se déroule en deux étapes: (1) l’équipe sélectionne ou conçoit le milieu de culture le plus approprié pour la production et l’extraction, puis (2) détermine les conditions de culture qui garantiront une production optimale en laboratoire. En pratique, un certain nombre de conditions de culture sont testées en parallèle dans des bioréacteurs de 1 à 2 litres qui peuvent fonctionner en mode continu, discontinu (batch), discontinu et alimenté (fed-batch). Les cuves sont équipées de sondes qui mesurent en temps réel la température, la pression partielle d’oxygène, le pH, le potentiel d’oxydoréduction et la concentration en glucose. Grâce à l’analyse des gaz d'échappement, les scientifiques de l’unité surveillent en continu chaque cycle de fermentation et normalisent le procédé de production afin de contrôler le comportement de chaque micro-usine bactérienne.    

Mise à l'échelle des procédés

L'augmentation de la production d'un composé peut entraîner une diminution des performances. À l’aide de bioréacteurs de 20 litres, l'unité standardise les conditions de fermentation pour assurer le transfert entre le laboratoire et la production industrielle (il est important que le rapport entre le volume de culture et la quantité de composé produite reste stable tout au long de ce processus). Ces résultats seront intégrés au cahier des procédés qui servira de guide lors de la production industrielle.

Activités support

En collaboration avec l’unité de biologie synthétique, l’équipe optimise les premières étapes de production.  

Bibliographie

Kent, J. A. (2003). Industrial Fermentation: Principles, Processes, and Products. In Riegel’s Handbook of Industrial Chemistry (pp. 963–1045). Springer US.

Schmidt, F. R. (2005). Optimization and scale up of industrial fermentation processes. Applied Microbiology and Biotechnology, 68(4), 425–435.