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Thématique de recherche

Applications biotechnologiques

Publié le 1 août 2016

Daniel GARCIA & David PIGNOL

Chercheurs : Monique SABATY, Nicolas GINET, Arjan DeGROOT Pascal ARNOUX,

Techniciens/Ingénieurs​ : Camille Escoffier, Sandrine GROSSE, Géraldine ADRYANCZYK, Catherine BRUTESCO  & Sandra PREVERAL
Les recherches fondamentales que nous menons sur différents modèles bactériens nourrissent un ensemble de projets appliqués qui sont développés dans le cadre de contrats partenariaux. Ces développements sont centrés sur la mise au point de systèmes de bioremédiation ou de biodétection, de biocatalyseurs recyclables ou de composés biologiques dédiés aux technologies pour la santé (1-3).

Biodetection

Dans le cadre du projet COMBITOX, nous nous sommes concentrés sur la conception d'un prototype multiparamétrique en ligne pour la surveillance des réseaux d'eau à l'aide de biocapteurs. Gràce à notre expertise dans la compréhension des mécanismes d'adaptation des bactériennes aux métaux, nous avons développé des biocapteurs bioluminescents basés sur la technique du gène rapporteur et permettant la détection de nombreux métaux toxiques (cadmium, mercure, arsenic, nickel, cobalt, etc.). Nous avons également abordé la conservation de ces biocapteurs sur une période de temps compatible avec l'autonomie du dispositif demandé par l'utilisateur final, et également développé l'utilisation d'un rapporteur fluorescent dans le proche infrarouge pour effectuer la biodétection dans des échantillons d'eau turbides et complexes. De plus, nous avons caractérisé l'utilisation de châssis cellulaires alternatifs tel que de Deinococcus deserti (une souche radiorésistante) permettant d'utiliser des procéder de dessiccation comme une solution rentable pour le stockage des biocapteurs à long terme, et d'envisager le champs de détection de radioisotopes. Notre prototype permet au final la détection de composés toxiques biodisponibles ayant un impact sur la santé humaine à travers le réseau d'eau potable.​

Bioremé​diation 

Plusieurs souches étudiées dans le laboratoire ont montré une capacité à accumuler ou à dégrader divers polluants (y compris les métaux lourds et les pesticides organophosphorés) (4-6). De plus, nous avons  exploité la découverte d'un nouveau metallophore bactérien ainsi que notre expertise dans les bactéries magnétotactiques pour développer un outil de bioremédiation original pour la bioaccumulation de cobalt (Projet Bamaco, ToxNuc). L'expression hétérologue des gènes codant pour la machinerie enzymatique responsable de la synthèse de la staphylopine augmente ainsi à la fois la résistance bactérienne envers le cobalt et le piégeage intracellulaire du métal dans deux souches de bactéries magnétotactiques. Ces souches modifiées représentent un système de bio-accumulation très efficace qui peut être facilement récupéré à partir du milieu à l'aide d'un aimant. ​

De plus, grâce à notre connaissance accumulée sur les bactéries photosynthétiques, nous coordonnons également un projet collaboratif financé par le programme Life + (instrument financier de l'UE) dont l'objectif est de démontrer un procédé innovant de traitement d'effluents phytopharmaceutiques (pesticides). Le traitement est basé sur l'utilisation de micro-organismes photosynthétiques qui se sont avérée efficace en laboratoire pour dégrader des molécules actives, y compris les organophosphates. Le processus consiste en une série de trois bassins de lagunage adossés à une station de lavage (pour machines agricoles) qui récupère les résidus phytopharmaceutiques. Les bassins sont non ventilé et en cascade, et sont ensemencées avec un consortium bactérien sélectionné au laboratoire pour sa capacité à dégrader les molécules actives dans les effluents. La surveillance de la charge de pesticides menée dans différentes installations agricoles indique une dégradation presque complète de la plupart des molécules actives déversées dans les bassins. La conservation du consommable (le consortium) le plus approprié pour une manipulation simple et facile par les utilisateurs non-spécialistes a également été abordée au cours de ce projet. La création d'une startup pour exploiter ce processus est actuellement en cours d'étude.

Pour plus d'information: : http://www.lifephytobarre.eu/​

Chimie verte 

Nous étudions également les propriétés d'aimantation des bactéries magnétotactique pour la construction de biocatalyseurs recyclables. La fonctionnalisation des magnétosomes peut ainsi être obtenue par fusion traductionnelle couplant une protéine de la membrane du magnétosome à une enzyme d'intérêt (7). Ainsi, les biocatalyseurs sont synthétisés et immobilisés sur les nanoparticules magnétiques (les magnétosomes) par la machinerie cellulaire , et ils peuvent être facilement récupérés après purification du magnétosome par simple aimantation. Les applications d'un tel procédé sont nombreux tant en biotechnologies environnementales.​

Biotechnologie pour la santé

​Les magnétosomes sont des nanoparticules biogéniques présentant un grand potentiel en biotechnologie pour la santé. En effet, les cristaux du magnétosome ont des caractéristiques uniques par rappoer aux nanoparticules synthétiques: (i) un nanocristal de magnétite, avec des propriétés contrastantes pour l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ; (Ii) des propriétés magnétiques qui permettent une séparation ou un guidage facile; (Iii) une bicouche lipidique naturelle enrobant les nanoparticules, en assurant leur solubilisation; (Iv) une éventuelle fonctionnalisation de la surface  avec des fonctions biologiques pour le ciblage cellulaire ou la catalyse enzymatique in situ. Dans ce contexte, nous coordonnons un projet de collaboration (MEFISTO, ANR P2N) qui met l'accent sur l'utilisation de magnétosomes dans le traitement localisé par hyperthermie de tumeurs cérébrales assisté par un diagnostoc IRM à haut champ (en collaboration avec Neurospin, CEA Saclay). Alors que les MTB sont difficiles à cultiver en grandes quantités, nous avons réussi la mise en place de la production semi-automatisée à grande échelle (bio-reacteurs de 7 litres en continu)  de deux souches magnétotactiques, Magnetospirillum magneticum AMB-1 et Magnetovibrio blakemorei MV-1. Nous avons également conçu de nouveaux protocoles d'extraction, de purification et de caractérisation pour obtenir de grandes quantités de magnétosomes requises pour de nouveaux développements biotechnologiques. Nous avons démontré que l'injection systémique de magnétosomes de type sauvage purifiés révèlent la vascularisation du cerveau de la souris par IRM. Nous avons procédé par génie génétique à la fonctionnalisation de la surface externe de la membrane des magnétosomes avec un peptide RGD connu pour cibler spécifiquement les récepteurs d'intégrine  généralement exprimés à la surface des cellules cancéreuses au cours de l'angiogenèse. La capacité des magnétosomes RGD purifiés à cibler ces récepteurs a été mise en évidence in vitro sur des cellules U87 (glioblastomes humains) surexprimant les  récepteurs d'intégrine. Aprés injection chez la souris,  l'IRM in vivo à 11,2 T a révélé un temps de rétention renforcée des magnétosomes RGD au sein de la tumeur par rapport aux magnétosomes de type sauvage (publication en cours de soumission). 




PHYTOBARRE demonstrator consisting un a washing area coupled to a series of three lagooning basins seeded with photosynthetic bacteria selected for pesticide treatment

 

functionnalisation of the magnetosome
Crédit : Nicolas Ginet/CEA



In vivo MRI experiments on a mouse brain acquired before and after tail vein injection of magnetosomes​
Crédit : Nicolas Ginet/CEA

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Collaborations
  •  S. Rebuffat (Museum)
  • S. Mériaux (LRMN, Neurospin)
  • Société AP2, Société Nanobactérie
  • Société Barre.
  • Marie Carriere, CEA DRF Grenoble
  • G. Lambert (LESA, Aix-en-Provence) ​

Financements 
  • ​ANR COMBITOX (Ecotech, 2011-2015), coordinateur D. Pignol
  • ANR MEFISTO (P2N, 2013-2016), coordinateur D. Pignol
  • LIFE- PHYTOBARRE (Life+, 2013-2016), coordinateur D. Garcia 
 
Publications

1Garcia D & Pignol D (2012) Biofutur. Un éclairage bactérien sur la détection des toxiques. 
2- Garcia D & Pignol D (2012) Biofutur. Des micro-organismes domestiqués pour dépolluer. 
3- Garcia D & Pignol D (2012) Biofutur. Exemple d’un procédé biotechnologique de traitement des effluents phytosanitaires. 
4- François F, Lombard C, Guigner JM, Soreau P, Brian-Jaisson F, Garcia D, Molinier AL, Pignol D, Peduzzi J, Zirah S, Rebuffat S. (2012) Bacteria with toxic metal biosorption capacities for bioremediation applications. A.E.M. 78(4):1097-106. 
5- Berne C, Pignol D, Lavergne J, Garcia D. (2007) Cytochrome P450 CYP201A2 from Rhodopseudomonas palustris plays a key role in the tributyl phosphate biodegradation. Appl. Microbiol. Biotechnol 77(1):135-44 
6- Dreyfus C, Cavelier F, Martinez J, Laoure M, Arnoux P, Pignol D. Métallophore dérivé de la nicotianamine et ses procédés de fabrication. brevet FR0901574 
7Ginet NPardoux R, Adryanczyk G, Garcia D, Brutesco C, Pignol D. (2011) Single-step production of a recyclable nanobiocatalyst for organophosphate pesticides biodegradation using functionalized bacterial magnetosomes. PLoS One 6(6):e21442
8- Mériaux S., Boucher M., Marty B., Lalatonne Y., Préveral S., Motte L., Lefèvre C.T., Geffroy F., Lethimonnier F., Péan M., Garcia D., Adryanczyk G., Pignol D., Ginet N. (2015) « Towards brain molecular imaging with bacterial magnetosomes and 17.2 T MRI scanner» Adv Healthc Mater. Feb 13. doi: 10.1002/adhm.201400756.

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