Applications biotechnologiques des eucaryotes acidophiles
La culture et l’exploitation de micro-organismes extrêmophiles ont suscité de l’intérêt en raison de leur capacité à accumuler des composés de grande valeur, notamment divers métabolites, enzymes et surfactants. Des études génétiques récentes sur les algues acidophiles pourraient déboucher sur de nouvelles applications biotechnologiques. Au cours de la dernière décennie, plusieurs approches biotechnologiques utilisant des micro-algues acidophiles ont été rapportées avec pour principaux domaines d’intérêt l’industrie alimentaire (production de caroténoïdes, bioaccumulation de lipides) et la biorémédiation des environnements contaminés par des métaux.
Les micro-algues acidophiles en tant qu’approvisionnement alimentaire : L’utilisation des micro-algues comme source alimentaire pour les humains et les animaux est en augmentation depuis le début des années 1950. Les microalgues peuvent représenter une source précieuse de vitamines et d’acides gras et, en raison de la teneur élevée en protéines de certaines espèces, elles pourraient également avoir un potentiel pour la fabrication de stocks alimentaires tant pour les humains que pour les animaux. Bien que les micro-algues soient généralement des organismes photosynthétiques, quelques espèces sont capables de se développer dans des conditions hétérotrophes. Cette possibilité ouvre un champ de recherche prometteur, grâce à l’utilisation de fermenteurs bon marché au lieu de photobioréacteurs coûteux, permettant des densités élevées de cellules de micro-algues et donc des rendements élevés. À cet égard, les espèces de Galdieria présentent un intérêt particulier, car elles se développent à un pH compris entre 1,5 et 2,0, évitant ainsi la contamination par des bactéries pathogènes, qui est l’un des principaux problèmes des cultures de micro-algues à grande échelle. Les cultures hétérotrophes de Galdieria sulphuraria contiennent des niveaux élevés de phycocianine, un pigment utilisé comme colorant dans les aliments et les cosmétiques ainsi que comme marqueur fluorescent dans les diagnostics médicaux. En outre, les espèces de Galdieria ont également un potentiel important en tant que source de protéines et d’autres macronutriments en raison de la teneur élevée en protéines de leurs parois cellulaires. Les difficultés d’introduction d’ingrédients à base de micro-algues dans de nombreux aliments sont dues à la forte couleur verte et à la sensibilité des fragments lipidiques à l’oxydation, mais les caractéristiques particulières de G. sulphuraria peuvent permettre de surmonter ces obstacles. L’analyse nutritionnelle de 43 souches de Galdieria a montré qu’elles étaient riches en protéines (26%-32%) et en polysaccharides (63%-69%) mais contenaient des quantités relativement faibles de lipides. Dans des conditions de culture hétérotrophes, la partie lipidique contenait principalement des acides gras monoinsaturés, ce qui suggère que la biomasse de G. sulphuraria a une utilisation potentielle en tant qu’ingrédients alimentaires à la fois pour des applications riches en protéines ou en fibres alimentaires insolubles.
Certains problèmes liés à l’utilisation de la biomasse microalgale comme source alimentaire directe pour les animaux ont été signalés, notamment leur teneur élevée en acides nucléiques et leur contamination possible, et des préoccupations ont été soulevées concernant la toxicité potentielle et les effets à long terme sur la santé humaine. Pour cette raison, l’utilisation future de la biomasse de micro-algues dans l’industrie alimentaire sera probablement principalement une source de nutraceutiques pour les aliments fonctionnels plutôt que l’utilisation directe de cette biomasse. Cependant, des études réalisées avec la micro-algue acidophile Coccomyxa onubensis en tant que complément alimentaire chez des rats de laboratoire n’ont montré aucun effet négatif sur la santé des rats. En outre, les régimes alimentaires supplémentés en C. onubensis ont présenté un puissant effet hypocholestérolémique et hypotriglycéridémique chez les animaux de laboratoire. Ces résultats soutiennent l’idée que les espèces acidophiles pourraient être de meilleurs systèmes modèles pour étudier l’utilisation potentielle des microalgues dans l’alimentation animale.
Les microalgues acidophiles comme source de composés intéressants sur le plan industriel ; caroténoïdes et lipides antioxydants : Les conditions oxydatives extrêmes des environnements acides suggèrent que les micro-organismes acidophiles doivent exprimer des mécanismes anti-oxydants pour se défendre du stress oxydatif. Pour cette raison, la valeur biotechnologique de plusieurs espèces de micro-algues acidophiles a été analysée. Chlamydomonas acidophila accumule de fortes concentrations de lutéine, un antioxydant bien connu également accumulé par d’autres micro-algues ; ce composé a récemment suscité un intérêt pour son utilisation dans le traitement de pathologies oxydatives telles que la dégénérescence maculaire. La croissance mixotrophe de C. acidophila, en termes de production de caroténoïdes, a permis d’obtenir une productivité de caroténoïdes (principalement la lutéine) encore plus élevée que celle obtenue avec les cultures photo-autotrophes. Les concentrations de lutéine accumulées par C. acidophila dans ces conditions (environ 10 g/kg de poids sec) sont parmi les plus élevées rapportées pour une microalgue. Des résultats similaires ont été obtenus avec Coccomyxa onubensis (environ 6 g de lutéine/kg de poids sec).
L’utilisation de micro-algues comme source neutre en carbone de biocarburant a également été envisagée ces dernières années. Les méthodologies actuelles de biocarburant à base de micro-algues dépendent généralement de la culture de souches de micro-algues de laboratoire produisant des lipides élevés dans des photobioréacteurs ouverts ou fermés. Malheureusement, ces espèces de micro-algues sont généralement très sensibles à la concurrence des souches indigènes ou aux contraintes environnementales. La contamination par des espèces invasives peut diminuer la productivité des procédés commerciaux, ce qui augmente le prix de la production. L’utilisation d’algues acidophiles à haute teneur en lipides qui se développent dans des conditions de culture restrictives réduisant le risque de contamination pourrait contribuer à résoudre les problèmes de contamination. Des cultures de micro-algues acidophiles Scenedesmus spp. et Pseudochlorella sp, ont montré qu’elles accumulaient une grande quantité de lipides de stockage (30 % du poids sec) en les cultivant dans des bassins ouverts contenant de l’acide sulfurique (généré par les eaux de drainage minier), des sources chaudes acides ou des déchets industriels, ce qui démontre leur utilisation potentielle dans l’industrie des biocarburants de prochaine génération.
Bien que les connaissances actuelles sur les mécanismes d’accumulation d’huile dans les micro-algues soient relativement rares, des études récentes ont permis d’obtenir des informations sur la façon d’augmenter l’huile cellulaire par manipulation génétique dans des algues modèles tractables telles que Chlamydomonas reinhardtii, ainsi que des procédures de transformation dans plusieurs autres espèces d’algues. Ces développements et un criblage plus poussé de souches d’algues provenant d’environnements acides pourraient améliorer la productivité de l’huile et la biomasse dans les bassins ouverts acides à l’avenir.
Eucaryotes acidophiles et biorémédiation : Généralement, la forte consommation d’eau dans les opérations minières entraîne de grandes quantités d’eaux usées contaminées par des métaux lourds, des sels et divers autres composés inorganiques. Les techniques traditionnelles de traitement de l’eau, telles que l’osmose inverse et la filtration sur membrane, sont coûteuses et consomment beaucoup d’énergie. L’utilisation de micro-organismes pour éliminer les métaux lourds et d’autres matières inorganiques potentiellement dangereuses dans les eaux usées est une alternative prometteuse. Les substances polymères extracellulaires (EPS) ont attiré l’attention en raison de leur potentiel biotechnologique dans l’élimination des contaminants, notamment des métaux lourds. Les micro-organismes acidophiles pourraient jouer un rôle important dans ce domaine, car leur production d’EPS est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des espèces neutrophiles. Le potentiel de remédiation des métaux lourds par la culture de biofilms de micro-algues acidophiles endémiques a été illustré avec de l’eau enrichie en phosphore provenant d’une raffinerie de nickel. Les microalgues et les biofilms indigènes de type Chlorella se sont avérés capables d’éliminer jusqu’à 25 % des métaux totaux présents. En outre, l’utilisation de la Galdieria sulphuraria pour la récupération des métaux, et en particulier des métaux des terres rares, a également été explorée. G. sulphuraria a été capable de récupérer les ions lanthanoïdes présents à seulement 0,5 mg/L avec plus de 90% et, à un pH compris entre 1,0 et 1,5, les lanthanoïdes ont été séquestrés beaucoup plus efficacement dans la biomasse cellulaire.