PROCEDE DE PRODUCTION DE LIGNINE-PEROXYDASE PAR DES CELLULES NON-PROLIFERANTES DE PHANEROCHAETE CHRYSOSPORIUM
La présente invention est relative à un pro¬ cédé perfectionné de production d'enzyme ligninolytique ou lignine-péroxydase.
MING TIEN et T. KENT KIRK ont décrit dans SCIENCE, (1983), 221, p.661-663, une enzyme extracellu¬ laire produite par Phanerochaete chrysosporium Burdsall qui est un champignon basidiomycète ; cette enzyme est capable de provoquer en présence de peroxyde d'hydrogène, la dégradation oxydante de différents composés modèles présentant des sous-structures de la lignine, de même que la dégradation de la lignine de sapin ou de bouleau.
Cette enzyme, dénommée "lignine-péroxydase", a été caractérisée [M. TIEN et T.K. KIRK PROC. NATL. ACAD. SCI. USA, (1984) vol. 81, p. 2280-2284] comme étant une glycoprotéine d'environ 42KDa.
Le brevet Français 2 574 427 revendique deux nouvelles souches de Phanerochaete chrysosporium Burdsall capables de développer, dans des milieux non limités en azote, une activité lignolytique particulièrement élevée, alors que les souches précédemment connues ne produi¬ saient l'enzyme ligninolytique qu'en milieu de culture carence en azote, le processus de biodégradation produi- sant cette enzyme étant, de surcroit très lent, dans ces conditions.
Selon ce brevet, le milieu de culture propre à favoriser la production de lignine-péroxydase contient une source d'azote assimilable qui peut être l'asparagine, le nitrate d'ammonium ou le tartrate d'ammon.ium ; il contient également une source de carbone assimilable telle que glycose, annose, amidon, méli- biose, mannitol, xylose, maltose, adonitol, arabitol, fructose, sorbitol, raffinose, xylitol, D(+)trehalose, glycérol, mais de préférence ce dernier ; il contient en outre une source de sels minéraux assimilables tels que
citrate de fer, KH2P04, ZnS0 , MnSo4, CaCl2, CuS04, NaCl,
FeS04, CθC04, A1K(S04)2/ H3BO3, Na2 o04, MgS04.
Le brevet Français 2 600 077 propose d'augmenter de façon significative les rendements de pro- duction de lignine-peroxydase, en cultivant le champignon Phanerochaete chrysosporium sur un milieu de culture de base supplémenté avec un agent stimulant choisi parmi les acides gras insaturés, les acides aminés naturels et leurs mélanges. Les acides gras insaturés préférés sont l'acide oléique, l'acide linoléique, l'acide pal ito- léique, l'acide arachinolique, de préférence émulsifiés, et les acides aminés naturels préférés sont la serine, la thrêonine, l'isoleucine, la glycine, la valine, la tyro- sine, mais plus particulièrement l'isoleucine, la serine, la thrêonine et la glycine. La concentration optimale d'acide oléique est d'environ 800 mg/litre, et elle est d'environ 400 mg/litre lorsqu'il s'agit d'acide oléique émulsifié ; elle est d'environ 6,5 mg/litre pour l'isoleucine. II faut rappeler que JÂGER et Al. (APPLIED AND
ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Nov. 1985, p.1274-1278) avaient proposé une addition de détergent tel que T EEN 80 ou TWEEN 20 au milieu de culture du champignon, dans les cultures submergées, pour augmenter la production de lignine-peroxydase dans des proportions comparables à celle couramment obtenue en cultures stationnaires.
FAISON & KIRK [APPL. ENVIRON. MICROBIOL. (1985), / P-
299-304] et LEISOLA et Al. [J.BIOTECHNOL. (1985), 3_, p. 97-107] ont rapporté que l'addition d'alcool vératry- lique, qui est un métabolite secondaire de Phanerochaete chrysosporium, augmente la synthèse de la lignine- peroxydase.
Dans un article paru dans ENZ. ICROBIAL TECHNOL. (1987), 9_, p.245-249, ASTHER et Al. ont montré que la production de lignine-peroxydase a été augmentée de façon significative et la durée de fermentation
jusqu'à obtention de l'activité enzymatique maximale, fortement réduite, en présence d'acide oléique exogène émulsifié par du TWEEN 80.
Dans un article plus récent, paru dans APPL. MICROBIOL. BIOTECHNOL. (1988) 27,p.393-398, ASTHER et Al. ont rapporté que la production de lignine-peroxydase par le champignon Phanerochaete chrysosporium, est encore augmentée lorsqu'on ajoute au milieu de culture, de l'huile d'olive supplémentée avec de l'azolectine de soja qui constitue une source de phospholipides.
Dans une Communication faite lors de la Rencontre annuelle de l'ASM qui a eu lieu du 8 au 13 Mai 1988 à Miami, Floride, Etats-Unis, ASTHER et Al. ont rap¬ porté que l'on obtient une production maximale de lignine-peroxydase à partir de cultures de Phanerochaete chrysosporium lorsque la culture est réalisée à deux tem¬ pératures différentes, à savoir à 37*C pendant la phase de croissance du mycélium, pendant les deux premiers jours de l'incubation, puis à 30*C pendant la phase de production de lignine-peroxydase.
LEISOLA et Al. [cf. l'Article cité plus haut paru en 1985 dans J. BIOTECHNOL.] ont identifié quatre hèmes contenant de l'activité lignine-peroxydase, dans du fluide extracellulaire de culture âgées de trois jours de Phanerochaete chrysosporium BKM-F-1767, induites par de l'alcool veratrylique. JÂGER et Al. [APPL. ENVIRON. MICROBIOL. (1985) 50./ p.1274-1278] ont séparé 8 pics pré¬ sentant une absorbance de 409 nm (hèmeprotéines) et ont supposé que des différences relativement mineures entre les profils des protéines reflètent simplement l'âge des cultures.
La présente invention s'est donné pour but de pourvoir à un procédé de production de lignine-peroxydase à partir de Phanerochaete chrysosporium dans des condi- tions de température contrôlées différentes pendant la phase de croissance du mycélium et pendant la phase de
production de lignine-peroxydase proprement dite, qui permettent de privilégier la production des hèmeprotéines présentant l'activité lignine-peroxydase maximale, au détriment de la production de biomasse. La présente invention a pour objet un procédé de production de lignine-peroxydase à partir d'un champi¬ gnon connu sous le nom de Phanerochaete chrysosporium, dans un milieu de culture contenant des activateurs de l'enzyme, tels que des phospholipides et de l'alcool veratrylique, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il comprend :
- une première étape de culture de cellules de Phanero¬ chaete chrysosporium pendant une période d'incubation de 2 jours environ, dans un milieu de culture synthétique comprenant des sels de potassium, de calcium et de magné¬ sium, des oligo-éléments (fer, zinc, manganèse, cuivre) , une source d'azote appropriée, une source de carbone avantageusement constituée par du glycérol, de l'extrait de levure, une source de phospholipides, une source d'acide gras émulsifiés ;
- une deuxième étape de culture du mycélium formé au cours de la première étape, pendant une période de 3 jours environ (du J3 au J5) , dans un milieu de culture en partie renouvelé (avantageusement à raison de 15% envi- ron) , additionné d'alcool veratrylique, activateur et protecteur de la production de la lignine-peroxydase, et dont la teneur en phospholipides est réduite au l/7ème - l/8ème environ de sa teneur dans le milieu de culture de la première étape, lequel milieu de culture ne contient pas d'acides gras émulsifiés ;
- une troisième étape de culture, à l'optimum de produc¬ tion de la lignine-peroxydase, c'est-à-dire au bout de 5 jours environ, au cours de laquelle la totalité du milieu de culture de la deuxième étape est remplacée par un milieu de culture synthétique analogue à celui de la pre¬ mière étape, contenant la même proportion de phospholi-
pides et d'alcool veratrylique que le milieu de culture de la deuxième étape et dans lequel l'extrait de levure, la source d'azote et la source de carbone - avantageuse¬ ment constituée par du glycérol - sont réduits au 1/4 de leur teneur dans le milieu de culture de la première étape, ces trois composants constituant en combinaison un milieu de régénération partielle de la biomasse ;
- une quatrième étape qui consiste à poursuivre la cul¬ ture avec des cellules non proliférantes pendant 8 jours environ (de J6 à J13) , en renouvelant totalement le milieu de culture toutes les 24 heures pour le remplacer par un milieu ne contenant ni extrait de levure, ni acides gras émulsifiés, ni glycérol, mais contenant les activateurs et protecteurs de la production de l'enzyme constitués par l'alcool veratrylique et les phospholi¬ pides dans les mêmes proportions que les milieux de cul¬ ture des deuxième et troisième étapes ;
- une cinquième étape de séparation de l'enzyme produite et éventuellement de purification de celle-ci. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à la présente invention, la première étape de culture des cel¬ lules a lieu à une température d'incubation de 37*C envi¬ ron, alors que les étapes suivantes sont réalisées à des températures d'incubation de 30*C environ.
Selon un autre mode de mise en oeuvre avanta¬ geux du procédé conforme à la présente invention, la pre¬ mière étape de culture des cellules a lieu dans un milieu de culture tamponné à pH 6,5, alors que les étapes sui- vantes sont réalisées dans un milieu de culture tamponné à pH 5,5;
Selon encore un autre mode de mise en oeuvre avantageux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à la présente invention, la source de phospholi- pides est avantageusement constituée par de l'azolectine de soja.
Selon un autre mode de mise en oeuvre avanta¬ geux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à la présente invention, le milieu de culture de la première étape comprend une teneur en source d'azote de l'ordre de 1,84 g/litre pour une teneur en source de carbone (glycérol) de l'ordre de 10 g/litre, pour une teneur en phospholipides (azolectine de soja) de l'ordre de 0,75 g/litre et pour une teneur en extrait de levure de 1 g/litre. Selon encore un autre mode de mise en oeuvre avantageux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à la présente invention, le milieu de culture de la deuxième étape diffère du milieu de culture de la pre¬ mière étape par son pH (5,5), sa teneur réduite en phospholipides (de l'ordre de 0,1 g/litre) et sa teneur en alcool veratrylique (de l'ordre de 2,5 mM) .
Selon un autre mode de mise en oeuvre avanta¬ geux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à la présente invention, le milieu de culture de la troisième étape diffère du milieu de culture de la deuxième étape, par sa teneur réduite en glycérol (2,5 g/litre environ), en source d'azote (notamment 0,46 g/litre environ de tartrate de diammonium) et en extrait de levure (0,25 g/litre) . Selon un autre mode de mise en oeuvre avanta¬ geux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à la présente invention, le milieu de culture de la quatrième étape diffère du milieu de culture de la troisième étape en ce qu'il ne contient ni extrait de levure, ni source d'azote, ni source de carbone.
Selon un autre mode de mise en oeuvre avanta¬ geux du procédé de production de lignine-peroxydase conforme à l'invention, les troisième et quatrième étapes sont réalisées en continu. Le procédé conforme à la présente invention permet une augmentation considérable de la productivité
en lignine-peroxydase et de l'activité lignine-peroxydase par rapport à l'ensemble des procédés connus à ce jour. En effet, alors que l'on obtient une activité lignine- peroxydase de l'ordre de 22,4 nKat. ml-1 dans le cas où un milieu de culture de Phanerochaete chrysosporium est supplémenté en acide oléique émulsifié avec du Tween 80 à une concentration de 0,04 % (poids/volume) et alors que l'activité lignine-peroxydase est de l'ordre de 33,3 nKat. ml- lorsque le milieu de culture est supplé- mente avec de l'azolectine comme source de phospholipides et de l'huile d'olive comme source de lipides, l'activité lignine-peroxydase peut atteindre 40,6 nKat. ml"*1* lorsque l'on met en oeuvre le procédé conforme à la présente invention, dans lequel des milieux de culture supplémen- tés successivement en phospholipides et acides gras émul¬ sifiés, puis en alcool veratrylique et phospholipides, sont utilisés à des températures d'incubation diffé¬ rentes, de 37*C pour le premier et de 30*C pour le second. En outre, alors que la productivité en lignine- peroxydase est de l'ordre de 40,6 nKat. ml--*- . jour"1 lorsqu'on met en oeuvre le procédé conforme à l'invention, elle est aussi faible que 4,5 nKat. ml"1 . jour-1 lorsque le milieu de culture contient de l'acide oléique émulsifié avec du Tween 80, elle est de 8,3 nKat. ml-1. j-1 lorsque le milieu de culture contient de l'azolectine et de l'huile d'olive et elle est de 1,6 nKat. ml-1 .jour-1 lorsque le milieu de cul¬ ture contient de l'alcool veratrylique ImM, avec une tem- _ pérature d'incubation de 39*C comme décrit dans l'Art antérieur cité.
Les profils de chromatographie FPLC (fast pro- tein liquid chromâtography) de protéines extracellulaires obtenues à partir de cultures incubées à 37*C pendant les deux premiers jours, puis à 30*C, avec les changements de milieux de culture conformes à la présente invention mon¬ trent la présence de plusieurs hèmeprotéines dont neuf
présentent une activité lignine-peroxydase, avec un grand pic N*4.
Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre.
L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente le schéma de déroule- ment du procédé conforme à la présente invention et la figure 2 représente les profils FPLC des isoenzymes de la lignine-peroxydase au bout de 5 jours de culture, en fonction des conditions de culture.
Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation.
EXEMPLE 1 DE PRODUCTION DE LIGNINE-PEROXYDASE Le microorganisme mis en oeuvre est la souche
Phanerochaete chrysosporium INA-12 (CNCM N*1-398) .
Des cellules de Phanerochaete chrysosporium
INA-12 immobilisées sur de la mousse de polyuréthane sont traitées comme suit : 1. On inocule 6 x 107 conidiospores dans un milieu de culture présentant la composition suivante :
Solution de sels
. Potassium dihydrogénophosphate KH2P0 2 g/1
. chlorure de calcium CaCl2, 2H20 0,14 g/1 . Sulfate de magnésium Mg S04, 7H20 0,7 g/1
Solution d'oligoéléments
. Sulfate de fer (ferreux) FeS04, 7H20 0,07 g/1
. Sulfate de zinc ZnS04, 7H20 0,0462 g/1
. Sulfate de manganèse MnS04, H20 0,035 g/1 . Sulfate de cuivre CuS04, 5H20 0,007 g/1
Solution de Vitamine
. chlorydrate de Thiamine (vitamine B-^) 0,0025 g/1 Source d'azote
. Tartrate d'ammonium 1,84 g/1 Source de carbone
. glycérol 10 g/1
. extrait de levure 1 g/1
. azolectine de soja (phospholipides) 0,75 g/1
. acide oléique émulsifié avec du Tween 80 0,4 g/1 PH de la culture : pH : 6,5 (le tampon utilisé est l'acide 2,2-diméthyl-succinique) Température d'incubation : 37*C
La culture est réalisée après insufflation de 100% d'02 pendant deux minutes, sans agitation, dans des Erlenmayer de 150 ml contenant 30 ml du milieu de culture aqueux susdit, de J0 à J2 à 37'C.
2. On soutire 15% du milieu total susdit, qu'on remplace par un milieu de culture tel que décrit en 1. ci-dessus sauf en ce qui concerne l'extrait de levure, l'azolectine de soja et l'acide oléique émulsifié dont le premier et le troisième sont supprimés, de même que le glycérol, le tartrate de diammonium, les sels, les oligoéléments et les vitamines, tandis que la teneur en azolectine de soja du milieu est diminuée de 7,5 fois (0,1 g/litre) et que ledit milieu est additionné d'alcool veratrylique (2,5 mM) , l'alcool veratrylique et l'azolectine de soja jouant le rôle d'inducteurs de production de la lignine- peroxydase. _ La culture est poursuivie de J3 à J5 inclus à une température d'incubation de 30*C, qui est la température optimale de production de lignine-peroxydase.
3. à J5, la totalité du milieu de culture est soutirée pour être remplacée par un milieu de culture présentant
la composition suivante : source d'azote tartrate de diammonium 0,46 g/1 source de carbone glycérol 2,5 g/1 extrait de levure 0,25 g/1 azolectine de soja 0,1 g/1 alcool veratrylique 2,5 mM
L'alcool veratrylique et l'azolectine de soja présents dans ce milieu jouent le rôle d'inducteurs et de protec¬ teurs de la lignine-peroxydase, comme dans le milieu de culture utilisé dans l'étape 2. ci-dessus et le glycérol, le tartrate d'ammonium et l'extrait de levure jouent en combinaison, le rôle de milieu de régénération de la bio- masse. Le pH du milieu de culture est ajusté à pH 5,5 et la température d'incubation est de 30*C. Le glycérol, la source d'azote et l'extrait de levure agissent sur la production de biomasse et non sur la production de l'enzyme ; c'est pourquoi ils sont présents dans le milieu de régénération. Toutefois leurs concentrations sont réduites à 25% de ce qu'elles sont dans le milieu de culture de l'étape 1. ci-dessus pour limiter la produc¬ tion de biomasse dans des proportions non préjudiciables à la production de l'enzyme. 4. A partir de J6 la totalité du milieu de culture est soutirée toutes les 24 heures pour être remplacée par un milieu de culture de même composition que celui utilisé dans l'étape 2. ci-dessus, et la culture est poursuivie jusqu'à J13, à 30*C à pH 5,5. La figure 1 annexée constitue un schéma du procédé de production de la lignine-peroxydase par des cellules non-proliférantes de Phanerochaete chrysosporium, conforme à la présente invention.
Dans ce schéma :
— représente le profil de température
. représente le remplacement de 15% du | milieu de culture par un milieu de culture contenant 0,1 g/1 d'azolectine et 2,5 mM
^v d'alcool veratrylique représente le remplacement de 100% du mi¬ lieu de culture par un milieu de culture contenant de l'azolectine (0,1 g/1), de l'alcool veratrylique (2,5 mM) et un
milieu de régénération partielle de la biomasse (glycérol 2,5 g/1, tartrate d'ammonium 0,46 g/1 , extrait de levure 0,25 g/1) représente le remplacement (toutes les 24 heures) de 100% du milieu de culture par
un milieu de culture contenant de l'azolectine (0,1 g/1) et de l'alcool veratrylique (2,5 mM) . 5. Les cultures obtenues sont récoltées et filtrées sur un filtre en fibres de verre. Le surnageant est dialyse pendant une nuit contre de l'eau distillée. Le milieu extracellulaire est alors concentré au l/10ème de son volume initial par ultrafiltration à travers une membrane Amicon YM10.
Les protéines contenues dans le fluide concentré sont dé¬ terminées par chromâtographie FPLC (fast protein liquid chromâtography) à l'aide d'un chromâtographe LCC 500 de „ PHARMACIA équipé d'une colonne échangeuse d'anions Mono QHR 515, avec un gradient de NaCl dans 10 mM de cacody- late de sodium (pH 5,9) .
Les profils FPLC des isoenzymes de la lignine-peroxydase obtenus sont représentés à la figure 2 annexée dans la¬ quelle
la figure 2A représente les profils de protéines extracellulaires de Phanerochaete chryso¬ sporium INA-12 dans les conditions de cul¬ ture standard sans renouvellement du milieu de culture, la température d'incubation étant de 37*C ; la figure 2B représente lesdits profils de protéines obtenus avec renouvellement de l'atmosphère (100% d'oxygène) après deux jours de culture la figure 2C représente lesdits profils de protéines obtenus avec renouvellement de l'atmosphère en oxygène et changement de 15% du milieu avec 2,5mM d'alcool vératry- lique après deux jours de culture la figure 2D représente lesdits profils de protéines obtenus avec renouvellement de l'atmosphère en oxygène et changement de
15% du milieu avec 2,5mM d'alcool véra- trylique et 0,1 g/1 d'azolectine après deux jours de culture la figure 2E représente lesdits profils de protéines obtenus avec renouvellement de l'atmosphère en oxygène et changement de 15% du milieu avec 2,5 M d'alcool vera¬ trylique et 0,1 g/1 d'azolectine et chan¬ gement de température d'incubation de 37*C à 30*C après deux jours de culture. L'absorbance à 405 nm est représentée en traits pleins et l'absorbance à 280 nm en traits discontinus ; la droite inclinée représente le gradient de NaCl. Ces profils montrent que le fluide extracellu¬ laire contient plusieurs hèmeprotéines dont six présen- tent une activité lignine-peroxydase ; ce sont les pics 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 et 9. 80% de l'activité lignine-
peroxydase sont associés aux pics 7, 8 et 9. Les cultures dont les températures d'incubation ont été successivement de 37'C, puis de 30*C, et celles dont la température d'incubation a été uniquement de 30*C présentent une aug- mentation de la proportion du pic 4.
EXEMPLE 2 DE PRODUCTION DE LIGNINE-PEROXYDASE
On reproduit les conditions de l'exemple 1 en introduisant dans un Erlenmayer de 250 ml, 100 ml de milieu ; on obtient une production d'enzyme de 46,4 nKat/ml.
EXEMPLE 3 DE PRODUCTION DE LIGNINE-PEROXYDASE
Le microorganisme mis en oeuvre est la souche Phanerochaete chrysosporium INA-12 (CNCM N*1-398) .
Des cellules de Phanerochaete chrysosporium INA-12 immobilisées sur de la mousse de polyuréthane sont traitées comme dans l'étape 1 de l'exemple 1.
Le réacteur est ensemencé avec 2.10^ spores/ml. Il y a une immobilisation directe in situ dans le réacteur. Le milieu est alimenté en continu en oxygène, introduit dans une cheminée centrale où est également située la turbine d'agitation (200 t/mn) . La concentra¬ tion en 02 est régulée aux environs .de 60 % de la saturation du milieu par l'air. Les cellules de Phanerochaete chrysosporium immobilisées sur la mousse de polyuréthane sont disposées à la périphérie du bioréacteur, autour de la cheminée centrale.
Les étapes 2 à 5 sont identiques à celles de l'exemple 1. Le titre en enzyme obtenue atteint 25 nKat/ml.
Le procédé conforme à la présente invention permet de contrôler la production de lignine-peroxydase et, par voie de conséquence, la possibilité d'une produc¬ tion de cette enzyme à l'échelle industrielle. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de
mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui vien¬ nent d'être décrits de façon plus explicite ; elle en em¬ brasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente inven¬ tion.