Culture en fed-batch

Les types de bioprocessus pour lesquels la culture en fed-batch est efficaces peuvent être résumés comme suit.

Les nutriments tels que le méthanol, l'éthanol, l'acide acétique et les composés aromatiques inhibent la croissance des micro-organismes, même à des concentrations relativement faibles. L'ajout de ces substrats permet de raccourcir le temps de latence et de réduire considérablement l'inhibition de la croissance cellulaire^[1].

Dans une culture discontinue, pour atteindre des concentrations cellulaires très élevées, par exemple 50–100 g de cellules sèches/L, il faut des concentrations initiales élevées de nutriments dans le milieu. À de telles concentrations, les nutriments deviennent inhibiteurs, même s'ils n'ont pas cet effet aux concentrations normales utilisées dans les cultures discontinues^[1].

Dans la production de levure de boulanger à partir de moût de malt ou de mélasse, on sait depuis le début des années 1900 que de l'éthanol est produit si un excès de sucre est présent dans le liquide de culture, même en présence d'oxygène dissous en quantité suffisante. L'éthanol est l'une des principales causes du faible rendement cellulaire. La formation aérobie d'éthanol en présence d'une concentration de glucose est connue sous le nom d'effet glucose ou effet Crabtree. Pour réduire cet effet, un processus de fed-batch est généralement utilisé pour la production de levure de boulanger. Dans les cultures aérobies d'Escherichia coli et de Bacillus subtilis, des acides organiques tels que l'acide acétique (et, en moindre quantité, l'acide lactique et l'acide formique) sont produits en tant que sous-produits lorsque la concentration en sucre est élevée. Ces acides inhibent la croissance cellulaire et ont un effet néfaste sur les activités métaboliques. La formation de ces acides est appelée effets bactériens de Crabtree^[1].

Lorsqu'un micro-organisme reçoit une source d'énergie carbonée rapidement métabolisable, telle que le glucose, l'augmentation de la concentration intracellulaire d'ATP qui en résulte entraîne la répression de la biosynthèse des enzymes, ce qui ralentit la métabolisation de la source d'énergie. Ce phénomène est connu sous le nom de répression des catabolites^[1]. De nombreuses enzymes, en particulier celles impliquées dans les voies cataboliques, sont soumises à cette régulation répressive. Une méthode efficace pour surmonter la répression du catabolite dans la biosynthèse enzymatique est la culture en fed-batch, dans laquelle la concentration de glucose dans le liquide de culture est maintenue à un faible niveau, la croissance restreinte et la biosynthèse enzymatique déréprimée. L'alimentation lente en glucose dans la fermentation de la pénicilline par Penicillium chrysogenum est un exemple classique dans cette catégorie.

Dans un processus microbien utilisant un mutant auxotrophe (mutant exigeant des nutriments), l'apport excessif du nutriment requis entraîne une croissance cellulaire abondante avec une faible accumulation du métabolite désiré, en raison de l'inhibition de la rétroaction et/ou de la répression des produits finaux. En revanche, la privation du nutriment requis réduit la croissance cellulaire ainsi que la production globale du métabolite souhaité, car le taux de production est généralement proportionnel à la concentration cellulaire. Dans un tel bioprocessus, l'accumulation du métabolite souhaité peut être maximisée en cultivant le mutant sur une quantité limitée du nutriment requis. Pour cela, on l'introduit dans la culture à un taux contrôlé. Cette technique est souvent utilisée dans la production industrielle d'acides aminés avec des mutants auxotrophes^[1]. Un exemple est la production de lysine avec un mutant de Corynebacterium glutamicum nécessitant de l'homosérine ou de la thréonine/méthionine et ne possédant pas le gène de l'homosérine déshydrogénase.

La transcription d'un gène ayant un promoteur répressible en amont du cadre de lecture ouvert est réprimée par la combinaison de ce que l'on appelle un holorépresseur avec la région de l'ADN correspondant à l'opérateur. Lorsqu'un composé chimique spécifique est présent dans le liquide de culture, le composé (ou son métabolite) dans les cellules se combine en tant que corépresseur avec un aporépresseur (sorte de facteur de transcription) pour former l'holorépresseur. Le maintien d'une concentration aussi faible que possible de ce composé (tout en permettant une croissance cellulaire suffisante) permet de poursuivre l'expression du gène régulé. La culture en fed-batch est une technique efficace pour y parvenir. Le promoteur trp et le promoteur phoA sont des exemples de promoteurs répressibles.

Un dernier processus peut être celui de la prolongation de la durée de fonctionnement, avec supplément d'eau perdue par évaporation et diminution de la viscosité du bouillon de culture^[1].