BioProMo

Les activités scientifiques de ce thème visent à mettre en œuvre, étudier, intensifier et optimiser la production de métabolites par voie microbienne ou cellulaire en bioréacteur avec des applications dans le domaine de la santé (anticorps monoclonaux, antifongiques, antibiotiques, sécrétomes cellulaires humains) ou de l’énergie (bioH₂, bioCH₄) mais aussi à développer des procédés innovants de production de cellules humaines en bioréacteur (CSM, cellules immunitaires). La compréhension et le contrôle de ces cultures complexes (hétérogénéités et cinétiques cellulaires, suivi, contrôle et pilotage, bioprocédés de rupture) constituent le socle scientifique de ce thème.

Dans le cadre du secteur applicatif de la santé, les activités concernent le développement conjoint ou la consolidation technologique et méthodologique de capteurs innovants de suivi en ligne de cultures de cellules CHO, de cellules immunitaires humaines, de CSM et de leur sécrétome. Ces développements génériques permettent ensuite leur utilisation comme outil de contrôle et de pilotage de cultures en bioréacteurs. En parallèle, l’intensification des procédés de bioproduction est étudiée par de nouvelles stratégies de cultures (modes de culture, pilotage, couplage séparateur/bioréacteur), notamment pour (i) la production de métabolites spécialisés tels que les antibiotiques par Streptomyces, (ii) la synthèse de composés antifongiques par des consortia microbiens ou des espèces isolées de consortia, (iii) l’expansion de CSM et la production de leur sécrétome, (iv) la production d’anticorps par cellules CHO. Par ailleurs, de nouveaux champs scientifiques sont explorés tels que l’étude du couplage des conditions de culture (hydrodynamique et biochimiques) sur la production de sécrétomes caractérisés (cytokines, vésicules extracellulaires, microARN) de CSM. Les activités de recherche de l’équipe en lien avec le domaine applicatif des bioénergies visent à la production de biométhane en couplant la production d’hydrogène par des cultures pures ou des consortia microbiens à la méthanation biologique par des méthanogènes hydrogénotrophes issues de communautés déjà établies en méthanisation.

L’équipe s’intéresse à des évolutions méthodologiques appliquées à de nouveaux systèmes, en intégrant la production de nouveaux biocatalyseurs, la caractérisation des processus réactionnels et la conception de nouveaux procédés performants et sélectifs pour l’obtention de biomolécules de structure maîtrisée. L’originalité de l’approche est d’étudier à différentes échelles le biocatalyseur, le milieu réactionnel et le procédé en combinant des méthodes expérimentales et numériques.

Les travaux sur les enzymes concernent leur ingénierie, production, caractérisation, immobilisation sur des supports innovants. De nouveaux couplages méthodologiques expérimentaux sont mis en œuvre : i) la fonctionnalisation de biopolymères par des procédés couplés mécaniques (extrusion)/enzymatiques, ii) la fonctionnalisation d’acides aminés par des procédés couplés microbiens/enzymatiques, iii) la conception de vecteurs lipidiques bioactifs par une double approche de fonctionnalisation enzymatique et de formulation physico-chimique, iv) le développement de procédés chimio-enzymatiques pour l’obtention de molécules plateforme phénoliques, v) la fonctionnalisation de molécules photoactivables (pour la thérapie photodynamique) et de nanoparticules ou nanoclusters (silice, chitosane, or,. ..) par des entités qui ciblent spécifiquement des récepteurs surexprimés sur les cellules cancéreuses et les néovaisseaux. A l’échelle du bioréacteur, il est particulièrement intéressant d’étudier l’impact du procédé sur l’activité et la stabilité des biocatalyseurs en couplant études enzymatiques et structurales. A l’échelle du biocatalyseur, les interactions enzyme/substrats sont étudiées dans des modèles moléculaires en vue d’établir des relations structure/fonction des enzymes. Les relations structure/activité des molécules synthétisées sont établies par une double approche expérimentale et de modélisation. Concernant les peptides chélateurs de métaux, les relations fonctionnalité (capacité à complexer un ion métallique)/bioactivité (e.g. activité antioxydante, antimicrobienne) sont approfondies et extrapolées par l’étude de différents biocatalyseurs, différentes ressources protéiques et divers métaux (eg. Cu²⁺) en vue de diverses applications en lien avec la nutrition, la cosmétique et la santé.

Les objectifs sont le développement et l’utilisation d’approches numériques avancées intégrant la modélisation de mécanismes multi-physiques et chimiques, de l’échelle atomistique jusqu’à l’échelle du procédé de bioproduction, en interaction forte avec les thèmes 1 et 2. 

A l’échelle moléculaire l’approche numérique développée en lien avec les procédés enzymatiques (Thème 2) porte sur l’étude de la solvatation des substrats et des biocatalyseurs dans les milieux réactionnels, de la sélectivité et la stabilité des enzymes et la prédiction de la structure et des fonctions de nouvelles enzymes. Cette échelle fournit par ailleurs des informations pour la modélisation mésoscopique de la solvatation des substrats, des enzymes libres ou immobilisées en milieux eutectiques ou organiques.

A l’échelle intracellulaire et inter-espèces, la modélisation métabolique par FBA (Flux Balance Analysis) contribue à une meilleure connaissance de ces interactions inter-microorganismes et à l’évolution de la distribution des flux intracellulaires lors de cultures de cellules CHO. Ces modèles intracellulaires peuvent être intégrés dans des modèles multi-échelles extra/intra cellulaires avec ou sans hybridation avec des méthodes d’IA pour améliorer in fine les lois de commande optimales des bioréacteurs, notamment de culture cellulaire (CHO, CSM) (jumeaux numériques pour les bioprocédés étudiés en thème 1). A plus grande échelle, l’intégration des modèles hydrodynamiques et des biocinétiques est nécessaire. Pour cela, une approche de compartimentation automatique est développée, sur la base de simulations numériques d’écoulement par CFD. Des travaux permettant la simulation rapide de l’hydrodynamique ainsi que la compartimentation des grands bioréacteurs par des outils de l’IA sont des stratégies scientifiques en cours de développement.

Enfin, à l’échelle de l’ensemble du procédé de bioproduction, l’analyse technico-économique et environnementale des différentes solutions technologiques innovantes de bioproduction est réalisée en amont de la conception des lignes de production réelles (expansion de CSM ou et de la production de vésicules extracellulaires).