Microalgues, des diamants à l’état brut

Les microalgues sont de véritables usines cellulaires capables de fixer le CO2 pour le convertir, via la photosynthèse, en biomasse algale d’une richesse inouïe en lipides, protéines, polysaccharides, vitamines, pigments et antioxydants.

Les microalgues sont des organismes unicellulaires d’une grande diversité rassemblant plusieurs centaines de milliers d’espèces allant des procaryotes (les algues bleues ou cyanobactéries) aux eucaryotes (algues vertes, rouges, brunes et diatomées). Certaines d’entre elles sont capables d’accumuler de fortes quantités de lipides sous la forme de triglycérides (jusqu’à 75 % de leur poids sec) en condition de dormance ou après un stress. Ce potentiel associé à leur capacité à se développer en quelques heures dans tous les milieux liquides (eau douce, salée, saumâtre) en fait des organismes très convoités par les industries pharmaceutiques, cosmétiques et alimentaires.

La production industrielle de microalgues (15000 tonnes de biomasse par an) est à ce jour principalement dédiée aux marchés à haute valeur ajoutée tels que les compléments alimentaires, les acides gras polyinsaturés, les antioxydants et la biomasse pour l’aquaculture1. La taille de ces marchés est estimée à 5-6,5 milliards de dollars, avec une répartition de 1,25 à 2,5 milliards pour les compléments de santé, 1,5 milliards pour la production de DHA et enfin 700 millions pour le secteur de l’aquaculture2.
Ces diamants à l’état brut suscitent depuis peu un fort intérêt scientifique, économique et sociétal pour (i) le secteur de l’environnement via le traitement des eaux usées (captation du carbone, de l’urée, des nitrates, et des phosphates), le stockage des métaux lourds et des composants organiques toxiques3 et (ii) les secteurs de la chimie verte, des matériaux et de l’énergie, en raison de la raréfaction des énergies fossiles et de la volonté de diminuer les gaz à effets de serre4.

Si les microalgues sont déjà valorisées par plusieurs groupes industriels (Cellana, Sapphire Energy, Synthetic Genomics, Solazyme, Algenol Biofuels, Sofiprotéol, Roquette……), leur exploitation pour des marchés de masse est entravée par des verrous technologiques (récolte de ces organismes vivant dans 99% d’eau et extraction de leurs composés coûteuses et difficiles) et biologiques (peu d’espèces cultivées, faible connaissance de leur métabolisme).

Deux axes de recherches coexistent pour lever les verrous biologiques : le premier consiste à exploiter, via les campagnes océanographiques, la diversité du monde microalgal pour identifier des espèces aux propriétés physiologiques et métaboliques exceptionnelles mais pour lesquelles l’adaptation aux procédés industriels peut être longue. Le deuxième vise à améliorer la productivité en composés naturels, soit en modifiant les conditions physiologiques de croissance (lumière, température, salinité), soit en modifiant leur génome. En effet, la disponibilité de la séquence génomique d’une vingtaine de microalgues associée aux méthodes de transformation génétique a amorcé leur ingénierie génomique et métabolique5. Plus récemment l’ingénierie ciblée de gènes via l’utilisation de nucléases à spécificité modifiée a ouvert la voie à l’inactivation ciblée de gènes et la surexpression de transgènes à des sites prédéfinis6. Ces diamants des mers peuvent désormais être façonnés à souhait en modulant quantitativement et qualitativement la production de composés naturels et en produisant des composés exogènes tels que des protéines recombinantes (vaccins, anticorps…), des biopolymères et des bioplastiques6,7,8.

Les espèces modèles sont : Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris, Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis sp , Botryococcus braunii, Ostreococcus tauri.

Sources :

  1. Heydarizadeh, P., Poirier, I., Loizeau, D., Ulmann, L., Mimouni, V., Schoefs, B., and Bertrand, M. (2013). Plastids of marine phytoplankton produce bioactive pigments and lipids. Marine drugs 11, 3425-3471.
  2. Pulz, O., and Gross, W. (2004). Valuable products from biotechnology of microalgae. Applied microbiology and biotechnology 65, 635-648.
  3. DOE, D.O.E. (2010). National Algal BiofuelsTechnology Roadmap.
  4. Mata, T.M., Martins, A.A., and Caetano, N.S. (2009). Microalgae for biodiesel production and other applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
  5. Hlavová, M., Turóczy, Z., and Bišová, K (2015). Improving microalgae for biotechnology – From genetics to synthetic biology. Biotechnol Adv Feb 2.
  6. Daboussi, F., Leduc, S., Marechal, A., Dubois, G., Guyot, V., Perez-Michaut, C., Amato, A., Falciatore, A., Juillerat, A., Beurdeley, M., Voytas, D.F., Cavarec, L and Duchateau P. (2014). Genome engineering empowers the diatom Phaeodactylum tricornutum for biotechnology. Nature communications 5, 3831.
  7. Radakovits, R., Jinkerson, R.E., Darzins, A., and Posewitz, M.C. (2010). Genetic engineering of algae for enhanced biofuel production. Eukaryotic cell 9, 486-501.
  8. Barrera, D.J and Mayfield, S.P. (2013). High-value Recombinant Protein Production in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture: Applied Phycology and Biotechnology

Microalgae, rough diamonds

Microalgae are real cell factories which are able to fix CO2 to reconvert it, through photosynthesis, into algal biomass that is very rich in lipids, proteins, polysaccharides, vitamins, pigments and antioxydants.

Microalgae are very diverse unicellular organisms, encompassing several hundreds of thousands of species ranging from prokaryotes (blue algae or cyanobacteria) to eukaryotes (green, red, brown algae and diatoms). Some of them are able to accumulate large quantities of lipids in the form of triglycerides (up to 75 % of their dry weight) in dormancy condition or following stress. Owing to this potential associated with their capacity to develop in a few hours in all liquid environments (freshwater, saltwater, brackish water), these organisms are sought after by pharmaceutical, cosmetic and food industries.

Industrial production of microalgae (15000 tons of biomass per year) is to date mainly dedicated to high value-added markets such as dietary supplements, polyunsaturated fatty acids, antioxydants and biomass for aquaculture1. The size of these markets is estimated at 5-6.5 billion dollars, with a distribution of 1.25 to 2.5 billions for health supplements, 1.5 billions for DHA production and 700 millions for the aquaculture sector2.
These rough diamonds have recently generated strong scientific, economic and societal interest for (i) the environment sector via sewage treatment (capture of carbon, urea, nitrates, and phosphates), the storage of heavy metals and toxic organic components3 and (ii) the sectors of green chemistry, materials and energy, due to the rarefaction of fossil fuels and the effort to reduce greenhouse gas emissions4.

Whereas microalgae are already exploited by several industrial groups (Cellana, Sapphire Energy, Synthetic Genomics, Solazyme, Algenol Biofuels, Sofiprotéol, Roquette, etc.), their exploitation for mass markets is hampered by technological barriers (costly and difficult collection of these organisms living in 99% of water and extraction of their compounds) and biological barriers (few species cultured, insufficient knowledge of their metabolism).

Two axes of research coexist to knock down the biological barriers: the first is the exploitation, through oceanographic campaigns, of the diversity of the microalgal world to identify sp ecies with exceptional physiological and metabolic properties but for which adaptation to industrial processes can be long. The second aims to improve the productivity in natural compounds, either by modifying physiological conditions of growth (light, temperature, salinity) or by modifying their genome. Indeed, the availability of the genomic sequence of about twenty microalgae associated with genetic transformation methods has led to the start of their genomic and metabolic engineering5. More recently, the targeted engineering of genes through the use of nucleases with altered specificity has paved the way for the inactivation of target genes and the over-expression of transgenes at predefined sites6. These diamonds of the sea can now be perfectly engineered by adjusting quantitatively and qualitatively the production of natural compounds and by producing exogenous compounds such as recombinant proteins (vaccines, antibodies, etc.), biopolymers and bioplastics6,7,8.

The model species are: Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris, Phaeodactylum tricornutum, Nannochloropsis sp , Botryococcus braunii, Ostreococcus tauri.

Sources:

  1. Heydarizadeh, P., Poirier, I., Loizeau, D., Ulmann, L., Mimouni, V., Schoefs, B., and Bertrand, M. (2013). Plastids of marine phytoplankton produce bioactive pigments and lipids. Marine drugs 11, 3425-3471.
  2. Pulz, O., and Gross, W. (2004). Valuable products from biotechnology of microalgae. Applied microbiology and biotechnology 65, 635-648.
  3. DOE, D.O.E. (2010). National Algal BiofuelsTechnology Roadmap.
  4. Mata, T.M., Martins, A.A., and Caetano, N.S. (2009). Microalgae for biodiesel production and other applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
  5. Hlavová, M., Turóczy, Z., and Bišová, K (2015). Improving microalgae for biotechnology – From genetics to synthetic biology. Biotechnol Adv Feb 2.
  6. Daboussi, F., Leduc, S., Marechal, A., Dubois, G., Guyot, V., Perez-Michaut, C., Amato, A., Falciatore, A., Juillerat, A., Beurdeley, M., Voytas, D.F., Cavarec, L and Duchateau P. (2014). Genome engineering empowers the diatom Phaeodactylum tricornutum for biotechnology. Nature communications 5, 3831.
  7. Radakovits, R., Jinkerson, R.E., Darzins, A., and Posewitz, M.C. (2010). Genetic engineering of algae for enhanced biofuel production. Eukaryotic cell 9, 486-501.
  8. Barrera, D.J and Mayfield, S.P. (2013). High-value Recombinant Protein Production in Microalgae. Handbook of Microalgal Culture: Applied Phycology and Biotechnology
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