SPectroscopies pour l'Evaluation et le Controle en Temps Réel de l'Etat physiologique de cellules biologiques – SPECTRE

Au cœur des bioprocédés, l'activité et l'état des microorganismes constituent aujourd'hui encore des variables difficilement quantifiables. L'essentiel de l'information est obtenu avec retard à partir de mesures hors-ligne, ou de manière incomplète à partir de mesures indirectes, et reste insuffisant pour permettre le développement de stratégies de conduite qui optimiseraient le potentiel des microorganismes et le développement de procédés à hautes performances (ajouter un exemple). La quantification de l'état physiologique des cellules en temps réel est primordiale pour améliorer la connaissance du métabolisme des cellules et donc pour le contrôle déductif des voies d’intérêt.
L'objectif principal de SPECTRE est le développement d'un système permettant la mesure en temps réel de l'état des microorganismes pendant une fermentation ou une culture de cellules.
SPECTRE est partiellement dans la continuité des travaux réalisés dans le cadre du programme ANR FASST (ANR-06-BIOE-003-01-FASST : Fermentation Alcoolique d'hydrolysats lignocellulosiques et obtention de Souches adaptées aux Stress Technologiques). Pendant FASST, des méthodes avancées de détermination de la viabilité levurienne ont été mises au point. Associée à des mesures hors-ligne, la spectroscopie d'impédance en ligne a permis d'observer des variations de la conductivité cytoplasmique associées aux stress environnementaux. Grâce à l'analyse automatisée d'images de microscopie, il a été montré que la distribution de taille des cellules et leurs propriétés optiques étaient étroitement corrélées avec la viabilité cellulaire. Les résultats du programme ont été évalué positivement par les comités d'experts de l'ANR et de l'ADEME.
La spectroscopie d'impédance (SI), opérationnelle depuis une dizaine d'années, fournit une information complexe, mêlant concentration de biomasse et état cellulaire. Elle doit être étayée par des techniques complémentaires afin de donner accès aux variables biologiques que sont la capacitance membranaire Cm, représentative de l'état de la membrane cytoplasmique, et la conductivité intracellulaire si, marqueur témoin des échanges d'ions et d'eau entre les cellules et leur environnement. La détermination du volume cellulaire total, de la viabilité, de la taille des cellules sont requises afin de calculer Cm et si. Des mesures en temps différé, sur des échantillons prélevés en cours de culture, peuvent permettre ainsi d'exploiter, a posteriori, l'information apportée par la spectroscopie d'impédance, mais restent lourdes à mettre en œuvre et ne sont pas adaptées au contrôle en ligne.
Le programme SPECTRE proposé est basé principalement sur :
- l'étude du couplage de deux technologies innovantes – la spectroscopie optique résolue spatialement (SRS) et la spectroscopie d'impédance (SI) - pour la mesure en ligne de variables marqueurs d'état (taille, capacitance membranaire, conductivité intracellulaire, viabilité…).
- la mise en œuvre de moyens de mesure associés (microscopie, cytométrie en flux, densité optique, fluorescence, …) qui permettra
- la validation de l'information recueillie (SI + SRS) et
- la sélection des variables physiques complémentaires les plus pertinentes pour accroître la robustesse de la mesure d'état, ainsi que les moyens de mesures associés qui, si nécessaire, faciliteraient l'évaluation de l'état physiologique (et des distributions d'état) des populations cultivées.
Le projet doit aboutir à l'élaboration d'outils génériques permettant le pilotage en temps réel de l'état de compétence des populations microbiennes cultivées. SPECTRE réuni des équipes universitaires, expertes en Ingéniérie des Bioprocédés, et une PME, leader dans le domaine de la SRS et des techniques d'analyse de données associées.
Chacune des équipes utilisera différentes cellules hôtes pour la production de molécules d'intérêt. Les domaines d’applications visés sont les biotechnologies pour l’énergie, la chimie verte, l'agro-alimentaire et la santé.