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RÉSUMÉ
Certains organismes vivent dans conditions de vie considérées comme mortelles pour la plupart des autres organismes. Ils sont dits "extrêmophiles" et possèdent des propriétés singulières dont beaucoup présentent un intérêt en biotechnologie. Notamment, les cellules en culture peuvent directement être utilisées pour la biolixiviation ou pour les piles à combustibles. Plus généralement, certains de leurs constituants cellulaires sont intéressants dans de nombreuses applications. Les plus connues et les plus variées sont l'utilisation des enzymes en biologie moléculaire, en chimie fine, dans l'industrie des détergents, dans l'agroalimentaire, dans le secteur de la production de biocarburants, etc. Les extrêmolytes produits par les extrêmophiles constituent également une gamme de produits aux applications nouvelles. Ce dossier présente présente les différents types de micro-organismes extrêmophiles ainsi que les types d'environnements où il est possible de les collecter. Sont également détaillés les principales applications possibles en biotechnologie.
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Certain organisms live in conditions considered to be lethal for most other organisms. They are called "extremophiles" and posses special characteristics, many of which are of great interest in biotechnology. Cells in culture notably can be directly used for bioleaching or fuel cells. More generally, some of their cellular components are of significant interest in many applications. The best known and most diverse are the usage of enzymes in molecular biology, fine chemistry, the detergent industry, the agrifood industry, the biofuel production sector, etc. the Extremolytes produced by extremophiles also constitute a range of products with new applications. This article presents the various types of extremophile microorganisms as well as the types of environments where they can be collected. It also details the main possible applications in biotechnology.
Auteur(s)
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Joël QUÉRELLOU : Directeur de recherche UMR 6197 Ifremer/CNRS/UBO (Brest)
-
Jean GUÉZENNEC : Responsable du programme biotechnologies marines Ifremer, centre de Brest
INTRODUCTION
Un extrêmophile est un organisme vivant dans un milieu extrême. 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 XX e 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 toujours 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-organismes ont, au cours de l'évolution, développé des stratégies adaptatives très variées. Ils présentent de ce fait un répertoire de voies métaboliques et de biomolécules originales leur permettant non seulement de survivre dans des conditions extrêmes, mais aussi de se développer souvent de manière optimale dans des niches écologiques extrêmes. Les propriétés singulières de 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 gisement 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.
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2. Propriétés des extrêmophiles
Le concept d'extrêmophilie, à la différence de celui de résistance aux conditions extrêmes, implique que l'ensemble de la machinerie cellulaire soit adapté aux conditions extrêmes et que les cellules fonctionnent de manière optimale dans ces conditions. Pour autant, chaque constituant cellulaire ne fonctionne pas nécessairement à l'optimum dans les conditions du milieu extérieur. Les cellules sont capables de contrôler jusqu'à un certain point les conditions intracellulaires pour certains paramètres comme l'osmolarité. De ce fait, le pH intracellulaire de souches alcaliphiles sera inférieur à celui du milieu extérieur et inversement pour les espèces acidophiles. En revanche, pour certains paramètres, comme la température, la pression, les conditions du milieu extérieur s'imposent aux cellules dans leur globalité, membranes, milieu intérieur et totalité des constituants cellulaires. Ces constituants cellulaires devront être non seulement stables dans ces conditions, mais surtout, fonctionnels. La stabilité de chacune des biomolécules prise isolément et testée dans les conditions du milieu extérieur n'est toutefois pas toujours requise, du fait que le milieu intérieur peut bénéficier de l'effet de certains solutés organiques ou d'une protection au sein de complexes macromoléculaires.
Nous n'illustrerons ici que certaines propriétés, et plus particulièrement la thermostabilité des protéines et l'osmoadaptation.
2.1 Stabilité des constituants cellulaires
L'une des premières questions qui se pose pour les hyperthermophiles est celle de la stabilité de leur matériel génétique. Comment est préservée l'intégralité du message génétique stockée dans le chromosome et comment peuvent s'opérer la transcription et la traduction au-dessus de 100-110 oC ? À ces températures, in 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 mêmes nucléotides et possèdent une structure identique à celle des mésophiles. Il a été démontré que des histones archéennes ou des histones « like » augmentent la température de dénaturation de l'ADN, mais ne préviennent pas la thermodégradation. La stabilité...
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BIBLIOGRAPHIE
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(2) - HORIKOSHI (K.) - Alkaliphiles – General properties and applications of enzymes. - Tokyo, Kodansha-Springer, p. 258 (2006).
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(3) - STETTER (K.) - Hyperthermophiles in the history of life. - Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci., 361, p. 1837-1842 (2006).
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(4) - ROUSSEL (E.G.) et al - Extending the sub-sea-floor biosphere. - Science, 320(5879), p. 1046 (2008).
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(5) - AMANN (R.I.), LUDWIG (W.), SCHLEIFER (K.-H.) - Phylogenetic identification and in situ detection of individual microbial cells without cultivation. - Microbiol. Rev., 59(1), p. 143-169 (1995).
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(6) - CHIVIAN (D.) et al - Environmental genomics reveals a single-species ecosystem deep within earth. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
NOAA sediment thickness http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/image/sedthick9.jpg (page consultée le 21 août 2009)
EUZEBY (J.P.) List of prokaryotic names with standing in nomenclature
ICSP http://www.bacterio.cict.fr/ (page consultée le 21 août 2009)
Piles à combustibles microbiennes (MFC) http://www.microbialfuelcell.org/ (page consultée le 31 août 2009)
Génomes en ligne http://genomesonline.org/index2.htm (page consultée le 21 août 2009)
World Intellectual Property Organization http://www.wipo.int/patentscope/en/ (page consultée le 21 août 2009)
Laboratoire des auteurs (Querellou Joël) http://w3z.ifremer.fr/umr6197 (page consultée le 20 août 2009)
HAUT DE PAGE
Xylanases, nucleic acids encoding them and methods for making and using them WO/2009/045627.
Glucanases, nucleic acids encoding them and methods for making and using them WO/2009/020459.
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