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Le secret de la densité cellulaire ultra-élevée : comment obtenir des performances optimales dans les bioréacteurs ?
Dans le monde actuel de la biotechnologie, le choix de la technique de culture est essentiel au rendement et à la qualité du produit fini. Parmi eux, la culture en lots alimentés a reçu une attention accrue car elle peut contrôler efficacement les nutriments pendant le processus de culture et favoriser la croissance et le développement des micro-organismes. Cette technologie augmente non seulement les rendements mais évite également certaines des limitations des cultures par lots traditionnelles.
La culture Fed-Batch est définie comme une technique de fonctionnement qui fournit en continu un ou plusieurs nutriments au bioréacteur pendant le processus de culture et maintient le produit inchangé dans le réacteur jusqu'à la fin de la culture.
Les cultures en lots alimentés offrent des avantages significatifs par rapport aux cultures en lots complets conventionnelles, en particulier lors du contrôle des concentrations de nutriments pour influencer le rendement ou la productivité des métabolites souhaités. Grâce à un apport précis de nutriments, les chercheurs peuvent limiter efficacement la production de sous-produits métaboliques inutiles dans les cellules, augmentant ainsi la densité des cellules souhaitées.
Principaux types de cultures en fed-batch
Les cultures Fed-batch ont une large gamme d'applications et peuvent être adaptées à différents bioprocédés. Voici quelques stratégies efficaces de culture par lots alimentés :
1. Inhibition de la matriceDe nombreux micro-organismes sont inhibés par de fortes concentrations de nutriments (tels que le méthanol, l’éthanol et l’acide acétique). Dans les cultures en lots alimentés, l'ajout opportun de ces substrats peut raccourcir les temps de latence et réduire les effets inhibiteurs sur la croissance cellulaire.
2. Densité cellulaire élevéePar rapport à la culture par lots traditionnelle, afin d'obtenir une concentration cellulaire plus élevée, la culture par lots alimentés nécessite de contrôler la concentration de nutriments dans le milieu de culture afin de ne pas inhiber la croissance des micro-organismes.
3. Effet du glucoseLors de la production de levure de boulanger, même dans des conditions d'oxygène dissous suffisantes, l'excès de sucre entraînera la production d'alcool, inhibant ainsi la croissance cellulaire. Le processus d’alimentation par lots peut réduire efficacement cet effet et améliorer la productivité globale de la levure.
4. Suppression du catabolismeFournir une source de carbone rapidement métabolisée (comme le glucose) augmentera la concentration d'ATP dans la cellule, inhibant ainsi la synthèse de certaines enzymes. La culture par lots alimentés peut maintenir de faibles concentrations de glucose et favoriser la synthèse enzymatique.
5. Utilisation de mutants auxiliaires
Pour les mutants microbiens qui nécessitent des nutriments supplémentaires, un contrôle approprié de la concentration de nutriments essentiels peut favoriser efficacement la production des métabolites requis.
En contrôlant le débit d’alimentation et en gérant avec précision l’apport de nutriments, la capacité de production des cellules et la concentration du produit souhaité peuvent être maximisées.
Stratégies pour la culture du fed-batch
Lors de la mise en œuvre de cultures en lots alimentés, plusieurs stratégies clés permettent de garantir des performances optimales du processus de culture :
Culture à haute densité cellulaire
Cette stratégie est fréquemment utilisée dans les processus bioindustriels pour obtenir des densités cellulaires élevées dans les bioréacteurs.
Culture continue par lots alimentés
Dans ce type de culture par lots alimentés, le taux d'alimentation en substrat limitant la croissance est constant, ce qui peut maintenir la stabilité du processus de culture.
Culture par lots alimentée de manière exponentielle
Dans des conditions idéales, les cellules se développent à un rythme exponentiel. Ce format de culture permet d'augmenter le taux d'apport de substrat limitant la croissance proportionnellement au taux de croissance cellulaire.
Les futurs développements biotechnologiques exploreront davantage le potentiel de ces stratégies de culture en lots alimentés pour produire des bioproduits plus précieux à des densités cellulaires plus élevées. Cependant, comment équilibrer l’efficacité et les coûts de production dans les applications industrielles reste une question qui mérite d’être explorée ?
