PhotobiofilmExplorer – PhotobiofilmExplorer

Photobiofilm Explorer est organisé en six volets techniques. Des biofilms de deux espèces de microalgues marines à fort potentiel de production de composés allélochimiques sont cultivés et étudiés en même temps que leur phycosphère bactérienne. Nous considérons l’effet de stress azotés sur la production de composés bioactifs. Nous examinons le rôle des bactéries associées aux microalgues. Des outils de microscopie sont développés pour évaluer la structure 3D des biofilms et leur relation avec la production de composés allélopathiques. L'activité antimicrobienne, la concentration et la nature des molécules allélochimiques sont étudiées conjointement à un large screening de virus et de bactéries pathogènes pour l’homme et le poisson, inhibés par ces molécules. Les conditions favorisant la production allélochimique, une fois optimisées à l’aide des outils de simulation, sont testées avec les procédés pilotes d'Inalve.

Le consortium réunit des équipes reconnues pour leurs expertises: interactions algue-bactérie (MARBEC), physiologie des microalgues (LOV), caractérisation 3D multi-spécifique des biofilms (INRAE & CS), modélisation mathématique (INRIA & CS), ingénierie des bioprocédés (CS), culture industrielle de biofilms (Inalve).

Des biofilms de microalgues ont été cultivés dans diverses conditions à partir des différentes expériences réalisées de systèmes en laboratoire jusqu’à des procédés pilotes en biofilm (LOV et Inalve). Différentes fractions et extraits ont été produits. Des protocoles d’extraction de différentes fractions et de test d’activités ont été mis au point. Des solvants de polarité variable ont été testés pour évaluer de potentielles activités antibactériennes de divers fractionnements de la biomasse.

Plusieurs extraits ont démontrés des activités bactériostatiques et antivirales sur divers pathogènes de l’aquaculture (saumon et crevette). Des tests ont également été réalisés, et des activités antibiofilm bactérien ont été mis en avant.

Une boîte à outils d’imagerie pour la caractérisation, à différentes échelles (cellule, micro et meso-échelles), de la structure de biofilms photosynthétiques développés sur différents types de support (i.e. coton et verre) : l’utilisation conjointe du CLSM et des techniques de coupes longitudinales utilisées en histologie pour les biofims épais et l’utilisation complémentaire de l’OCT, du CLSM et du microscope à feuille de lumière pour les biofilms plus fins.

Des modèles numériques de biofilms ont été développés, notamment dans l’objectif de simuler la structure en lien avec un développement simultané algues-bactéries. Le modèle 1D a été implanté en matlab, et une version 2D est en cours de développement.

Un système de culture pilote a été mis en place sous serre, et il a été adapté à la culture de Cylindrotheca closterium. Une montée en puissance a été réalisée et le procédé est fonctionnel depuis avril 2022. pour la première fois, plusieurs kg de pâte de Cylindrotheca en biofilm ont été produites en condition de pilote.

Une caractérisation plus fine des activités du biofilm pour différentes cibles est maintenant attendue. Des travaux supplémentaires seront nécessaires pour identifier les molécules impliquées dans ces activités, ainsi que les conditions environnementales maximisant la synthèse des composés allélopathiques.

Ces conditions seront reproduites et amplifiées dans le réacteur pilote extérieur qui produit actuellement Cylindrotheca closterium sous forme de biofilm. L'optimisation sera guidée par le développement de modèles numériques.

L'exploitation de ces molécules et la recherche de marchés seront alors la dernière étape, afin de proposer des approches naturelles alternatives pour la protection des poissons et des crevettes.

1. Polizzi, Bastien, Andrea Fanesi, Filipa Lopes, Magali Ribot, and Olivier Bernard. «Understanding photosynthetic biofilm productivity and structure through 2D simulation.« PLoS computational biology 18, no. 4 (2022): e1009904.
2. Fanesi, Andrea, Martin, Thierry, Breton, Cyril, Bernard, Olivier, Briandet, Romain and Lopes, Filipa «The architecture and metabolic traits of monospecific photosynthetic biofilms studied in a custom flow-through system.« Biotechnology and Bioengineering (2022).
3. Caillau, Jean-Baptiste, Walid Djema, Jean-Luc Gouzé, Sofya Maslovskaya, and Jean-Baptiste Pomet. «Turnpike property in optimal microbial metabolite production.« Journal of Optimization Theory and Applications (2022): 1-33.
4. Morales, Marjorie, Claude Aflalo, and Olivier Bernard. «Microalgal lipids: A review of lipids potential and quantification for 95 phytoplankton species.« Biomass and Bioenergy 150 (2021): 106108.

Il est vital d'identifier de nouveaux médicaments pour faire face aux agents pathogènes résistants aux antibiotiques actuels. Les microalgues sont des organismes eucaryotes valorisables pour la production de composés d’intérêt, en particulier pour l’alimentation humaine ou animale. Elles sont traditionnellement cultivées en suspension dans des photobioréacteurs ou des raceways. Pour améliorer leur productivité et réduire les coûts environnementaux, une approche innovante, qui consiste à les cultiver dans un biofilm attaché à un support en mouvement, a été brevetée par trois des partenaires du projet. La start-up Inalve, née de cette technologie, a remporté plusieurs prix. Un biofilm est un assemblage de microorganismes insérés dans une matrice de polymères extracellulaires excrétés. Étonnamment, la plupart des espèces testées par Inalve sont capables de former des biofilms très résistants à la contamination biologique. Même en ajoutant du glucose, le rapport bactéries/microalgues reste faible, ce qui suggère que certains des composés libérés par les microalgues (et/ou les bactéries natives associées au biofilm) sont capables d'inhiber les envahisseurs et de jouer un rôle significatif dans la résilience et la stabilité du biofilm. Ces composés sont connus pour atteindre des concentrations telles qu’elles peuvent aussi impacter les micro-organismes planctoniques au voisinage du biofilm. Une vaste famille de substances allélopathiques a déjà été identifiée, lesquelles possèdent des bio-activités uniques à très fort potentiel en santé animale et humaine.

Le premier objectif de ce projet est de valider notre hypothèse de résistance associée à la production de substances allélopathiques. Le second est de caractériser et de produire ces nouveaux bio-composés valorisables pour la santé humaine et animale. Nos cibles principales sont les antibiotiques, mais d'autres activités seront testées, en particulier antivirales. La découverte de ces molécules naturelles aura un impact considérable en termes de valorisation, notamment sur la protection des poissons et des crustacés d’aquaculture (principal marché d'Inalve), et en pharmacologie grâce à la découverte d’antibiotiques et de composés antiviraux.

Photobiofilm Explorer est organisé en six volets techniques. Des biofilms de quatre espèces de microalgues marines à fort potentiel de production de composés allélochimiques seront cultivés et étudiés en même temps que leur phycosphère bactérienne. Le WP1 se focalisera sur l’effet de stress azotés sur la production de composés bioactifs. Le WP2 examinera le rôle des bactéries associées aux microalgues. Des outils de microscopie seront développés dans le WP3 pour évaluer la structure 3D des biofilms et leur relation avec la production de composés allélopathiques. L'activité antimicrobienne, la concentration et la nature des molécules allélochimiques seront étudiées dans le WP4 conjointement à un large screening de virus et de bactéries pathogènes pour l’homme et le poisson, inhibés par ces molécules. Les conditions favorisant la production allélochimique, une fois optimisées à l’aide des outils de simulation du WP5, seront testées avec les procédés pilotes d'Inalve dans le WP6.

Le consortium réunit des équipes reconnues pour leurs expertises: interactions algue-bactérie (MARBEC), physiologie des microalgues (LOV), caractérisation 3D multi-spécifique des biofilms (INRAE & CS), modélisation mathématique (INRIA & CS), ingénierie des bioprocédés (CS), culture industrielle de biofilms (Inalve). Les acteurs ont déjà efficacement collaboré entre eux avec de nombreuses réussites. Le projet est coordonné par O. Bernard, spécialiste mondialement reconnu des microalgues et de l'optimisation des bioprocédés, avec une solide expérience de la coordination de projets.