Qu’est-ce qu’un bioréacteur ?
Les bioréacteurs sont un type de biotechnologie. Les bioréacteurs sont utilisés dans un large éventail de domaines, notamment l’alimentation, l’agriculture, l’industrie, la médecine, l’analyse, etc. Il s’agit de systèmes qui utilisent les mécanismes des changements chimiques dans les organismes vivants causés par les enzymes et les cellules pour produire des substances utiles à l’industrie.
Bien que les réactions in vivo aient l’inconvénient d’être plus lentes que les réactions chimiques, elles présentent d’autres avantages tels que moins de sous-produits et aucune perte d’activité catalytique. Elles sont également supérieures en termes de coût, car elles peuvent se dérouler sans être soumises à des températures et à des pressions élevées, ce qui élimine la nécessité de préparer des équipements résistants à la pression et à la chaleur.
Utilisations des bioréacteurs
L’homme utilise les bioréacteurs depuis l’Antiquité. Il s’agit notamment du miso (aliment japonais traditionnel qui se présente sous forme de pâte fermentée), de la sauce soja, du saké et du vin, qui sont produits par la réaction de la levure et des levures avec les matières premières, telles que les fèves de soja, le riz et le jus de fruit.
À l’époque moderne, la recherche et le développement de diverses technologies de bioréacteurs ont progressé en fonction de leurs caractéristiques et de leurs utilisations. Par exemple, l’immobilisation des enzymes (qui les rend disponibles pour un usage répété) a permis la production en masse d’acides aminés et de sucres, conduisant à leur utilisation dans l’industrie alimentaire, et le développement d’instruments tels que les autoanalyseurs et les biocapteurs, qui sont des instruments d’analyse physico-chimique utilisés pour détecter et quantifier des substances.
D’autres applications concernent les réactions se produisant dans les cellules végétales, les cellules animales telles que les cellules hépatiques et sanguines, les organites intracellulaires tels que les mitochondries et les corps pigmentaires, les récepteurs hormonaux et les anticorps.
Principe des bioréacteurs
Les bioréacteurs fonctionnent en synthétisant, décomposant, convertissant et éliminant les réactifs en tant que matières premières avec des enzymes immobilisées et d’autres éléments de réaction sous une température, un pH et une pression contrôlés et régulés, afin d’obtenir le produit cible.
En plus des enzymes purifiées, des cellules et des micro-organismes sont utilisés comme éléments de réaction. Les éléments de réaction peuvent être immobilisés soit par la méthode de liaison au support, qui consiste à les lier à des supports insolubles, soit par la méthode de réticulation, qui consiste à réticuler les éléments de réaction, soit par la méthode d’inclusion, qui utilise un agent d’inclusion. L’immobilisation de l’élément réactionnel facilite la séparation de l’élément réactionnel de la substance produite. Il existe également des méthodes où les éléments réactionnels sont suspendus sans être immobilisés.
Dans les bioréacteurs, les méthodes d’aération, d’agitation, de mélange et de contrôle de la température de réaction diffèrent fortement selon que la réaction est effectuée à l’état liquide ou solide. Par exemple, si les éléments de réaction sont des organismes aérobies, l’aération est nécessaire, on utilise donc une méthode d’aération et d’agitation, ou on choisit une méthode d’airlift, dans laquelle des bulles d’air s’élèvent à partir d’un tube de tirage à l’intérieur du récipient. Dans le cas des organismes photosynthétiques, il est nécessaire d’apporter au liquide des matières organiques dissoutes, des sels inorganiques tels que l’azote et le phosphore, des vitamines et d’autres substances bioactives, ainsi que de la lumière.
Dans le cas des microbioréacteurs utilisés pour l’analyse, des récipients de l’ordre de quelques µl peuvent être utilisés, et la température et le volume du liquide doivent être davantage contrôlés pour éviter les erreurs de mesure.
Synthèse de substances optiquement actives par des bioréacteurs
Les bioréacteurs sont également fréquemment utilisés pour la synthèse de substances optiquement actives. Les biocatalyseurs sont parmi les catalyseurs les plus couramment utilisés pour la synthèse de substances optiquement actives. Les avantages de l’utilisation des biocatalyseurs sont les suivants :
- Nombre d’entre eux présentent une excellente activité catalytique dans des environnements faciles à gérer pour nous : température normale, pression normale et pH proche de la neutralité.
- Les réactions sélectives ne se produisent que sur des sites spécifiques du composé. En général, peu de sous-produits sont produits et on peut s’attendre à des réactions avec des rendements élevés.
- La spécificité du substrat permet d’effectuer des réactions uniquement sur des composés spécifiques, même si plusieurs composés sont présents. Même si des composés racémiques sont utilisés, il est possible de réagir uniquement avec le corps R ou le corps S.
- Dans de nombreux cas, la réaction est effectuée dans l’eau, de sorte qu’il n’est pas nécessaire de se préoccuper de la déshydratation ou du dégazage.
- Les groupes fonctionnels sont très sélectifs, ce qui permet de réduire uniquement les cétones en présence de cétones et d’aldéhydes, ou d’hydrolyser des nitriles sélectifs en présence d’esters.
Utilisations des bioréacteurs en médecine régénérative
Dans le domaine de la médecine régénérative, les bioréacteurs peuvent être utilisés pour cultiver efficacement un grand nombre de cellules.
Les cellules souches pluripotentes telles que les cellules ES et iPS attirent l’attention en tant que source cellulaire importante en médecine régénérative en raison de leur capacité de prolifération illimitée et de leur multipotence. En particulier, les cellules iPS devraient être utilisées dans divers domaines, car elles sont confrontées à moins d’obstacles éthiques que les cellules ES. D’autre part, pour utiliser ces cellules en médecine régénérative, un approvisionnement stable d’environ 1 à 10 milliards de cellules est nécessaire. Un point important dans les systèmes de culture flottants en 3D est de savoir comment maintenir l’uniformité de la composition du milieu de culture et de la concentration d’oxygène dans le milieu. La vitesse d’agitation est importante à cet égard. Une agitation excessive peut entraîner un stress physique pour les cellules. Cette méthode est particulièrement inadaptée à la culture des cellules iPS, qui sont sujettes à l’apoptose dans les cellules individuelles. D’autre part, une agitation à faible vitesse devrait entraîner une fusion non spécifique entre les cellules et une sédimentation des agrégats cellulaires, ce qui peut réduire considérablement l’efficacité de la culture. Pour résoudre ces problèmes, des recherches sont en cours pour développer des bioréacteurs moins stressants pour les cellules et maintenant une agitation plus uniforme.