Biosynthèse | Une lueur d'espoir pour l'environnement et la biotechnologie

Synthèse des protéines
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Biosynthèse | Une lueur d'espoir pour l'environnement et la biotechnologie

Contenu

Qu'est-ce que la biosynthèse?

C'est un processus catalysé par une enzyme dans lequel des réactifs simples (substrats) sont convertis en produits complexes à l'intérieur des organismes vivants ou à l'aide d'organismes vivants. Dans ce processus, le les substrats sont transformés, modifiés ou polymérisés pour former des produits de grande taille appelés Macromolécules. Cette conversion et cette modification incluent une série de réactions appelées une voie de biosynthèse. Celles-ci voies biosynthétiques peut se produire à l'intérieur ou à l'extérieur du corps de l'organisme avec des enzymes (biocatalyseurs). La production des composants de la membrane cellulaire (phospholipides et protéines membranaires), des nucléotides et des protéines sont des exemples typiques de voies de biosynthèse. Le processus de biosynthèse est généralement un processus anabolique nécessitant des monomères, des substrats, des composés précurseurs, des enzymes, des co-enzymes et de l'énergie. 

En général, la biosynthèse est le processus de production de biomolécules ou de composés naturels par des réactions catalysées par des enzymes utilisant des machines métaboliques cellulaires. Généralement, une série de réactions catalysées par des enzymes sont impliquées dans la production d'une seule biomolécule. La biosynthèse peut également être utilisée pour synthétiser des produits chimiques en utilisant un substrat in vitro (à l'extérieur de l'organisme vivant) ou in vivo (à l'intérieur d'une cellule vivante telle que E. coli) avec l'aide d'enzymes technologie recombinante. 

Biosynthèse
Figure 1: utilisation des composants cellulaires pour la biosynthèse.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ribosome_mRNA_translation_en.svg

Différence entre la biosynthèse et la synthèse chimique

La synthèse chimique ou chimiosynthèse est la formation de produits complexes en utilisant des substances plus simples en l'absence ou en présence d'agents chimiques appelés catalyseurs. La biosynthèse forme de grands composés organiques en utilisant des substrats plus petits dans un système vivant en suivant une voie métabolique. 

Pourquoi la biosynthèse est-elle essentielle?

Les méthodes de production utilisées dans la chimiosynthèse sont généralement dangereuses pour notre environnement environnant et les autres êtres vivants. Par conséquent, il existe un besoin pour une méthode de synthèse écologiquement sûre, rentable et rentable. Une variété de systèmes biologiques tels que les champignons, les bactéries, les diatomées, les plantes et même les cellules humaines peuvent convertir des substrats plus simples en biomolécules via des réactions catalysées par des enzymes et des voies métaboliques. Il est avantageux d'utiliser la biosynthèse au lieu de la synthèse chimique car elle est plus sûre pour l'environnement et énorme. Plusieurs méthodes de biosynthèse sont actuellement utilisées pour la production à petite échelle et la production industrielle de molécules. 

Quelques applications de la biosynthèse

Usines cellulaires pour la biosynthèse de l'insuline

Une variété de produits pharmaceutiques sont synthétisés et commercialisés par des entreprises, notamment des anticorps et plusieurs protéines qui sont nécessaires en grandes quantités. Parmi lesquels les anticorps monoclonaux thérapeutiques sont le produit le plus commercialisé, suivis des hormones et des facteurs de croissance.

Actuellement, l'insuline est produite généralement dans la levure et E. coli. Auparavant, l'insuline était isolée du pancréas de porc-épic et de bovin. l'expression de l'insuline dans la levure et E. coli a fourni un rendement plus élevé dans un court laps de temps.

Pourquoi des micro-organismes comme E. coli sont-ils essentiels à la biosynthèse de l'insuline?

Les raisons de préférer E. coli pour la biosynthèse de l'insuline sont les suivantes:

  • - Taux de reproduction plus rapide (la population double toutes les 20 minutes)
  • - Il contient des gènes de résistance aux antibiotiques qui limitent la croissance des bactéries indésirables.
  • - Facile à manier
  • - Faible coût de maintenance
  • - Rentabilité élevée

Auparavant, les gens prenaient de l'insuline à partir des cellules pancréatiques des vaches et des porcs. L'insuline obtenue à partir de porc et de vache diffère légèrement de l'insuline humaine et le coût de récolte est trop élevé. Il faudrait une tonne de tissu pancréatique de porc pour produire quelques onces d'insuline. Levure (Saccharomyces cerevisiae) est également utilisé pour la production commerciale d'insuline comme E. coli. Mais le taux de production d'insuline produite dans la levure est nettement inférieur à celui E. coli

Transfert génique de l'insuline humaine vers E. coli

Le transcrit d'ARNm est prélevé sur les cellules pancréatiques productrices d'insuline (cellules β de l'îlot de Langerhans). L'enzyme inverse transcriptase se lie à l'ARNm et forme un seul brin d'ADNc (ADN complémentaire). L'ADN polymérase a ensuite polymérisé davantage l'ADNc pour former un ADN double brin. Les copies d'ADN sont ensuite préparées en effectuant une réaction en chaîne par polymérase (PCR). L'ADN amplifié est transféré dans un plasmide (ADN circulaire extracellulaire) d'E. Coli. Le processus d'insertion d'ADN / gène est accompli en coupant et en ligaturant le plasmide avec des enzymes de restriction et de l'ADN ligase. Ce plasmide possède des gènes de résistance aux antibiotiques pour la tétracycline et l'ampicilline. 

           Dans l'étape suivante, l'insertion de plasmides de nouveau dans E. coli est nécessaire; ce processus est appelé transformation. La membrane cellulaire de E. coli est rendue poreuse et préparée pour l'absorption de plasmide en introduisant du chlorure de calcium dans le milieu contenant la cellule. Après cela, les plasmides ont été introduits dans le milieu et les plasmides ont été repris par les cellules après avoir donné un choc thermique ou électrique (électroporation) aux cellules. Après l'électroporation, il existe des possibilités d'obtenir deux types de cellules:

- Cellules sans plasmide

- Cellules avec un plasmide recombinant souhaité contenant le gène de l'insuline

Comment identifier les cellules E. coli souhaitées avec un plasmide recombinant?

Les plasmides recombinants, absorbés par les cellules E. coli, produisent une résistance aux antibiotiques dans les cellules E. coli. Par cette vertu, les cellules recherchées se distinguent parmi les types ci-dessus de cellules E. coli obtenues après électroporation. Les cellules contenant le plasmide recombinant survivront dans le milieu contenant de l'ampicilline et de la tétracycline. Cependant, les cellules sans plasmide ne survivront pas dans ce milieu.

Figure 3: Représentation schématique du transfert de plasmide et de l'identification des clones. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artificial_Bacterial_Transformation.svg

Production d'insuline

Les cellules d'E. Coli recombinantes ont ensuite été isolées, identifiées puis transférées dans un grand fermenteur pour leur production à grande échelle. Les éléments nutritifs et les milieux de croissance sont préparés en ajoutant des quantités optimales de sel, de sucre, d'azote et d'eau pour E. coli. De l'ampicilline est également ajoutée au milieu de croissance pour limiter la croissance des cellules indésirables et la contamination microbienne. On s'attend à ce que les cellules d'E. Coli doublent leur nombre toutes les 20 à 30 minutes. Les cellules d'E. Coli se divisent pendant plusieurs jours pour augmenter leur nombre. Après cela, plusieurs agents chimiques sont ajoutés dans le milieu qui lance la production d'insuline en éliminant la protéine répresseur du gène de l'insuline, ce qui entraîne l'activation du gène de l'insuline.

En outre, certains autres agents chimiques sont ajoutés pour déclencher la production d'insuline dans les cellules d'E. Coli. Après quelques heures, les cellules d'E. Coli produisent une quantité considérable d'insuline. Le bouillon est retiré de la cuve de fermentation et les cellules sont récoltées et séparées du bouillon par centrifugation. Plusieurs agents chimiques ont été ajoutés pour perturber la membrane cellulaire des cellules d'E. Coli afin de libérer l'insuline des cellules. L'insuline est ensuite purifiée et cristallisée en ajoutant du zinc avant d'être distribuée sur le marché.

Pourquoi l'insuline synthétique est-elle nécessaire?

L'insuline recombinante répond aux demandes mondiales. Ce processus de production d'insuline a rendu l'insuline abordable et disponible d'une manière bien meilleure par rapport aux méthodes précédemment utilisées. L'insuline recombinante a donné aux sujets la liberté de vivre une vie quotidienne sans trop se soucier de leur taux de sucre dans le sang. La biosynthèse de l'insuline recombinante offre une lueur d'espoir pour la production d'autres hormones recombinantes nécessaires dans diverses conditions physiologiques.

Biosynthèse des carburants

Que sont les biocarburants?

Les biocarburants sont généralement produits à partir de la biomasse comme les végétaux et les déchets animaux. Il peut avoir le potentiel d'être utilisé comme un substitut aux combustibles fossiles. Contrairement aux combustibles fossiles (comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel et le gaz naturel), les biocarburants sont considérés comme une bonne source d'énergie verte et renouvelable. Ils sont généralement respectueux de l'environnement et rentables, les biocarburants ont un avenir prometteur car ils peuvent être utilisés comme substitut des combustibles fossiles dans le contexte de la hausse des prix de l'essence et d'une éventuelle pénurie de combustibles fossiles bientôt. 

Figure 4: Concept de biosynthèse des énergies renouvelables https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Logo_Renewable_Energy_by_Melanie_Maecker-Tursun_V1_bgGreen.svg

Production de biocarburants

Les biocarburants sont synthétisés par l'action de micro-organismes (généralement des bactéries et des champignons). Le bioéthanol est synthétisé par la fermentation d'hydrates de carbone, tandis que le biodiesel (ester) est obtenu à partir de la fermentation d'huiles et de graisses. Les biocarburants obtenus à partir des substances mentionnées ci-dessus sont utilisés par la fermentation d'hydrates de carbone, tandis que le biodiesel (ester) est obtenu à partir de la fermentation d'huiles et de graisses. Les biocarburants obtenus à partir des substances mentionnées ci-dessus sont utilisés pour produire une quantité significative d'énergie, et ils contribuent également à la sécurité environnementale car ils affectent l'environnement dans une mesure minimale. 

Figure 5: approches possibles pour la production de biocarburants.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Types_and_generation_of_biofuels.png

Types de biocarburants

Bioéthanol: Il a une application prometteuse pour son utilisation dans les moteurs à combustion interne. La production rentable de bioéthanol lui permet d'être utilisé en remplacement des carburants automobiles conventionnels tels que l'essence et le gazole. 

Synthèse du bioéthanol

La synthèse du bioéthanol se déroule en 4 étapes:

- Production de biomasse par fixation du dioxyde de carbone atmosphérique.

- La biomasse est ensuite convertie en nourriture (généralement du glucose / amidon), ensuite utilisée dans la fermentation.

La fermentation de la biomasse est réalisée par des microorganismes (levures ou bactéries), entraînant la production de concentration d'éthanol.

- Le traitement et la purification ultérieurs de ce concentré d'éthanol donnent du bioéthanol et plusieurs sous-produits. Le produit final peut en outre être utilisé à diverses fins, telles que l'énergie électrique, la chaleur, d'autres composés chimiques, etc.

Biodiesel : Les déchets végétaux, animaux et de cuisine peuvent être convertis en biodiesel en suivant une série de technologies expérimentales. Le processus démarre en effectuant des réactions chimiques à des températures plus basses, aboutissant à la production d'esters. Les esters sont des substances à odeur douce / agréable, et ils peuvent être solides ou liquides et sont solubles dans les solvants organiques en raison de leur nature apolaire / hydrophobe. L'ester produit maintenant peut être facilement converti en biodiesel et glycérine. La glycérine formée dans le processus est un sous-produit et peut être potentiellement utilisée dans les cosmétiques, les lubrifiants et les bains de bouche.

Le biodiesel formé par cette méthode ne nécessite aucune modification supplémentaire; il peut donc être utilisé directement à l'état pur et mélangé avec du gazole pour les moteurs, les brûleurs et les moteurs diesel. L'utilisation à grande échelle du biodiesel pour l'automobile et l'industrie peut aider le monde à lutter sous peu contre la crise des combustibles fossiles, les risques sanitaires dus à la pollution atmosphérique et les problèmes d'émissions de gaz à effet de serre. Il est biodégradable et donc non toxique.

Biosynthèse à la lumière de la biotechnologie

La synthèse de composés par des méthodes chimiques est un processus bien étayé pour la production à grande échelle de diverses biomolécules. Cependant, la synthèse chimique présente certains inconvénients tels que des réactions en plusieurs étapes, des intermédiaires de réaction instables, un contrôle de processus compliqué, etc. La biosynthèse offre une approche prometteuse et alternative pour surmonter ces défis, mais l'efficacité du processus est la question centrale de préoccupation.

La biotechnologie de conception-construction-évaluation-optimisation (DCEO) fournit une approche pour développer des usines de cellules efficaces en association avec des techniques conceptuelles pour concevoir des voies pour effectuer la biosynthèse. En outre, DCEO peut modifier et optimiser la voie / processus existant pour la production de la biochimie souhaitée. La biotechnologie DCEO est une approche prometteuse pour la création de bioraffineries à l'avenir.

Conclusions

Les micro-organismes offrent de nombreux avantages tels que les biocarburants, l'insuline et d'autres hormones et la production de biomolécules. L'utilisation du biodiesel est essentielle pour lutter contre la crise des énergies fossiles du futur. Les biocarburants sont bénéfiques pour l'environnement en raison de leur toxicité négligeable. L'insuline recombinante est avantageuse car elle peut être produite sans sacrifier beaucoup d'animaux et endommager l'écosystème. Le procédé est rentable et il faut beaucoup moins de surface pour la croissance, la récolte et la purification des micro-organismes sous forme de protéine recombinante. 

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À propos du Dr Abdullah Arsalan

Je suis Abdullah Arsalan, j'ai terminé mon doctorat en biotechnologie. J'ai 7 ans d'expérience en recherche. J'ai publié jusqu'à présent 6 articles dans des revues de renommée internationale avec un facteur d'impact moyen de 4.5 et peu d'autres sont pris en compte. J'ai présenté des articles de recherche dans diverses conférences nationales et internationales. Mon domaine d'intérêt est la biotechnologie et la biochimie avec un accent particulier sur la chimie des protéines, l'enzymologie, l'immunologie, les techniques biophysiques et la biologie moléculaire.

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