Brevet FR2815640A1 — publié le 20020426

La présente invention concerne un procédé de production de protéines d'intérêt. Les microorganismes que sont les bactéries, champignons, cellules végétales, cellules d'insectes et cellules animales, et notamment les levures, peuvent produire des protéines, il est toutefois difficile de récupérer certains des produits de ces microorganismes, et en particulier de récupérer les macromolécules telles que les protéines. Pour extraire des protéines d'intérêt de levure, qui sont des protéines naturellement produites, il est connu d'utiliser, d'une part, des méthodes mécaniques, d'autre part, des méthodes chimiques. Lorsque l'on utilise les méthodes mécaniques usuelles que constituent le broyage et la lyse sous pression, il est impossible de ne pas détruire les vacuoles des levures, et la libération des protéases contenues dans les vacuoles pose des problèmes de pureté et donc de purification du produit fini. Par ailleurs, les méthodes chimiques mènent également à la destruction des vacuoles et utilisent des détergents ou des agents de protéolyse qui s'ajoutent aux produits chimiques utilisés, comme contaminants du milieu. Ceci mène donc aussi à des problèmes de purification ultérieurs. De plus, certains des agents chimiques inactivent les enzymes. La présente invention concerne un procédé de production de protéines dans lequel un flux de milieu liquide comportant au moins une levure est soumis à électropulsation, et les protéines libérées sont récupérées. Comme cela apparaîtra par la suite, on entend par électropulsation un procédé où les cellules sont soumises à un train d'impulsions électriques. Ainsi la présente invention résout les problèmes évoqués cidessus. En effet, selon l'invention, le traitement électrique ne provoque pas la désintégration des cellules et on n'obtient donc pas de fragments cellulaires dans le milieu, après traitement. Tout le contenu de la cellule n'est pas libéré : les organites ainsi que la plupart des grosses protéines cytoplasmiques sont retenus par la paroi cellulaire. Les vacuoles ne sont pas affectées et les protéases ne sont pas libérées. La purification des protéines d'intérêt en est simplifiée et le procédé de l'invention permet une plus grande sélectivité des produits libérés. Des travaux portant sur l'électropulsation en lit fixe ont été effectués, mais les conditions décrites V. Ganeva, B. Galutzov FEMS Microbiology Letters 174 (1999) 279-284 ne permettent pas la réalisation du présent procédé avec les résultats escomptés. En effet, le procédé en lit fixe ne permet pas la perméabilisation irréversible de toutes les cellules traitées. Ainsi, la demanderesse a constaté que certaines conditions de mise en oeuvre, dans le procédé en lit fixe, pouvaient présenter certains inconvénients en flux. Il s'agit notamment des conditions relatives à la conductivité du milieu d'électropulsation. Enfin, les traitements d'électropulsation appliqués provoquent des effets différents sur les levures, selon qu'ils ont lieu en lit fixe d'une part, et en flux d'autre part, et notamment leurs effets sur le niveau de perméabilisation des cellules. Par ailleurs, l'inactivation des enzymes peut être évitée dans le procédé en flux, qui permet d'éviter l'échauffement notable de la suspension cellulaire. Ceci présente un grand intérêt notamment du point de vue du rendement en évitant une étape ultérieure de refroidissement et l'utilisation des dispositifs nécessaires à cette étape. Ainsi, selon l'invention, le traitement des cellules à haute concentration permet d'obtenir une libération optimale sans provoquer d'échauffement du milieu. Enfin, il est possible d'appliquer le processus selon l'invention sur des volumes importants, et d'obtenir de grandes quantités de protéines d'intérêt à un degré de pureté impossible à obtenir jusqu'ici par d'autres méthodes, et en particulier sans l'ajout de protéase, en utilisant des milieux de composition simple. Dans le procédé de l'invention, l'application d'un champ électrique externe de haute densité sur les cellules, et notamment les cellules en suspension, provoque l'apparition d'un potentiel qui s'ajoute au potentiel transmembranaire. Lorsqu'un certain seuil critique est dépassé, la membrane cellulaire devient perméable. Quand les cellules sont en mouvement (en flux), leur position par rapport aux électrodes change. Les impulsions auront comme cible différentes régions de la surface. Il en résulte une plus large surface perméabilisée et un niveau local du changement structurel différent que celui des cellules en statique (en batch). A des paramètres définis du champ électrique appliqué, comme l'intensité, la durée ou le nombre des impulsions, les changements de la membrane provoqués par les pulsations peuvent devenir irréversibles et il s'ensuit une libération du contenu intracellulaire. Pour les levures qui ont une paroi, cet efflux est contrôlé par la porosité de la paroi, la perméabilité pour les différentes molécules dépendant de leur dimension. La perméabilisation est un processus très rapide qui se développe pendant les quelques millisecondes de l'application des impulsions électriques, et demeure pendant un laps de temps allant de quelques minutes à des heures après le traitement électrique. On a pu constater que le traitement imposé aux levures peut provoquer la libération de l'enzyme invertase, située dans l'espace périplasmique. Il apparaît que la paroi cellulaire voit sa porosité augmenter, en plus de l'influence du champ sur la membrane plasmique. Le procédé selon l'invention permet donc l'efflux et ainsi la libération, et la récupération ultérieure de protéines secrétées par la cellule et qui s'accumulent dans l'espace périplasmique. Selon d'autres aspects, l'invention concerne également les protéines obtenues par le procédé décrit ici et les compositions en comportant. Du point de vue des levures que l'on peut traiter par le procédé d'invention, toutes les espèces susceptibles de produire des protéines hétérologues ou homologes peuvent être traitées, et notamment Saccharomyces, Kluyveromices, Pichia, Candida et Hansenula. Selon l'invention, les levures sont mises en culture, elles sont alors lavées pour éliminer les ions du milieu, puis elles subissent le traitement électrique et sont mises à incuber dans un milieu d'incubation. Ces levures sont alors séparées du surnageant. La purification des protéines est réalisée selon les moyens usuels. Selon la présente invention, l'étape d'électropulsation est précédée d'une étape de culture. La croissance peut y être maintenue jusqu'à la phase exponentielle ou jusqu'à la phase stationnaire. De préférence, la phase de culture est exponentielle mais des résultats positifs ont été obtenus aussi en phase stationnaire. Le milieu de culture peut donc être choisi pour permettre une expression maximum de la protéine recherchée qu'elle soit homologue ou hétérologue. Ce choix et la simplicité de la solution sont un gros avantage de ce procédé. Le transfert des cellules du milieu de culture au milieu de pulsation s'effectue après une centrifugation des suspensions. De préférence, les levures sont en suspension dans le milieu liquide soumis à électropulsation. La concentration de levures en suspension dans le milieu liquide d'électropulsation est comprise entre environ 106 et 5x109 cellules/ml, de préférence environ 5x108 et environ 2x109 cellules/ml. Du point de vue des conditions du traitement d'électropulsation, celui-ci peut être réalisé avec des intensités du champ d'au moins 1 kV/cm, de préférence comprise entre 1 et 5 kV/cm, et notamment comprises entre environ 2 et environ 4 kV/cm. La durée des impulsions est de préférence choisie pour être supérieure à 1 ms. Elle peut atteindre jusqu'à 100 ms. Elle est de préférence choisie entre environ 1 et 15 ms. Lorsqu'on applique des champs électriques de haute densité, on applique en général une seule impulsion. On peut aussi appliquer une série d'impulsions consécutives, ladite série ayant une durée allant de quelques micros à quelques millisecondes. Ainsi, le traitement appliqué à chaque cellule dure environ de 0,01 à 100 s, de préférence de 0,15 à 15 s. Le nombre d'impulsions reçues par chaque cellule de levure est de l'ordre de 1 à 100, de préférence entre 12 et 20, par exemple de l'ordre de 15. Par exemple, dans le cas de 2 Hz, cette durée serait de 3 ms et l'intensité du champ de 3 kV/cm, dans le cas de 6 Hz, la durée est de 2 ms et l'intensité de 3,5 kV/cm. Comme cela apparaîtra dans les exemples, on peut ainsi appliquer les impulsions en série, et par exemple une série d'une quinzaine d'impulsions, une impulsion pouvant durer de 2 à 4 ms. En ce qui concerne, la fréquence d'impulsions, est de préférence selon l'invention supérieure à 0,1 Hz, de préférence 1 Hz. Elle peut atteindre 100 Hz. De façon plus particulièrement préférée, elle est comprise entre 1 et 10 Hz. Par ailleurs, le produit de la durée de chaque impulsion par la fréquence doit rester inférieur à 1. Pour ce qui concerne le profil des impulsions de champ électrique, on peut envisager des vagues carrées, trapézoïdales, triangulaires, sinusoïdales, sinusoïdales redressées mono et bialternance, ou à déclin exponentiel, unipolaires, bipolaires, symétriques, asymétriques ; on utilise de préférence des vagues carrées. Selon l'invention, le milieu d'électropulsation a une conductivité basse, de préférence inférieure à 2 mS/cm. Il est ainsi choisi pour limiter l'amplitude de l'effet Joule associé aux impulsions électriques. Il peut donc être un milieu salin simple. Le milieu d'électropulsation peut aussi être de l'eau déionisée. Après le traitement au champ électrique, le milieu liquide comportant les levures traitées est mis à incuber pour favoriser la fuite des protéines d'intérêt. Le milieu d'incubation peut être le même que le milieu d'extraction mais il peut être également modifié. La transition du milieu de pulsation à celui d'incubation peut être réalisée par transfert des cellules pulsées dans un tampon contenant un stabilisateur osmotique. Comme milieu d'incubation, on peut utiliser selon l'invention, un milieu salin simple, comportant au moins un sel, par exemple un phosphate de potassium. Ainsi on peut utiliser un milieu d'incubation comportant au moins un tampon comme le phosphate de potassium à raison de 10 mM à 0, 2 M, de préférence 50-150 mM, un stabilisateur osmotique comme le glycérol à raison de 0,05 à 0,5 M, de préférence 0,2-0, 4 M, il peut aussi comporter un réducteur comme Dithiothreitol à raison de 0,01 à 0,2 mM-à titre d'agent conservant la stabilité des protéines extraites-on peut utiliser aussi d'autres produits contenant des groupes thiol (sulfhydrique) comme du mercaptoéthanol ou de la mercaptoéthylamine. Le glycerol est souvent utilisé comme protecteur osmotique mais dans des concentrations de 10 à 20%. Dans le présent procédé, sa présence vise à la préservation des vacuoles intactes, sa concentration est beaucoup plus basse (par exemple 2,8%), ce qui facilite la purification ultérieure des protéines libérées. A la fin de l'incubation, on peut extraire les protéines par tout moyen connu de séparation des protéines d'un milieu liquide, et par exemple par centrifugation de volume fixe, ou en flux continu, filtration, décantation ou précipitation, de préférence centrifugation ou filtration. Pour ce qui est du choix des milieux de culture, d'incubation et d'extraction, notamment le spécialiste du traitement des levures pourra adopter la composition de ces milieux au cas d'espèce. Le procédé de l'invention peut être appliqué à l'extraction d'enzymes cytoplasmiques telles que l'ADH (alcool déshydrogénase), PGK (phosphoglycérate kinase), HK (hexokinase), GAPH (glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase), GLR (glutathion réductase), SOD (superoxyde dismutase) ainsi que la bétagalactosidase, dans le cas de Kluiveromyces lactis. Selon l'invention, les différentes étapes de culture, incubation et extraction notamment ont des durées de l'ordre de : - culture jusqu'à la phase exponentielle : environ 15h ; - culture jusqu'à la phase stationnaire : 24 à 48h ; - séparation des cellules du milieu de culture, lavage et dilution : 0,5h ; - traitement électrique de chaque volume traversant la chambre de pulsation : quelques secondes ; - incubation visant la libération de protéines après électropulsation pour obtenir un maximum : entre 3 et 8h ; - séparation des protéines : 10 mn de centrifugation à 2000xg. Du point de vue du matériel mis en oeuvre pour la réalisation du procédé, une chambre d'électropulsation relie un réservoir où les cellules après leur cultivation, lavage et dilution sont aspirées par la chambre, l'écoulement les faisant passer entre les électrodes connectées à un électropulsateur. Les impulsions électriques peuvent être appliquées à une fréquence qui est fonction de la vitesse d'écoulement, si bien que les cellules reçoivent un nombre prédéfini d'impulsions adaptées en intensité et en durée, par exemple 2 à 5 kV/cm et d'une durée de 1 à 15 ms. On peut adapter la chambre et matériel d'électropulsation pour que les cellules reçoivent des impulsions de 2 à 3 kV/cm d'une durée allant de 1 à 15 ms. A la sortie de la chambre d'écoulement, le flux des cellules est dilué dans le milieu d'incubation et la fuite transmembranaire des protéines peut avoir lieu. Les protéines sont alors séparées des levures par centrifugation ou filtration. Elles sont alors purifiées. Les enzymes peuvent être concentrées et purifiées ultérieurement par des méthodes connues. La séparation des enzymes libérées des cellules du surnageant est une étape usuelle avant de procéder à une purification ultérieure. Dans le cas de l'électropulsation, comme il n'y a pas de fragmentation des cellules, une centrifugation à 1500-2000 g est suffisante. A un échelon industriel, cette séparation peut être réalisée par centrifugation en continu ou par filtration. EXEMPLES : La mise en oeuvre du procédé d'électropulsation a été réalisée, sur des flux continus de culture cellulaire dans les conditions suivantes : a) Saccharomyces Cerevisiae (souche FY-86) a été cultivé en milieu YPD (10 g/i d'extrait de levure, 20 gli de peptone, 20 g/i de glucose) à 30 C sous 240 rpm. La croissance y a été maintenue jusqu'à la phase exponentielle et jusqu'à la phase stationnaire. Après la culture des levures, les cellules ont été séparées du milieu de culture par centrifugation à 2000 g pendant 5 mn, lavées deux fois avec de l'eau déionisée et diluées en eau déionisée jusqu'à une concentration de 109 cellules/ml. Les paramètres de pulsation ont été choisis de la façon suivante : une série de quinze impulsions, chacune d'une durée de 3 ms, à une fréquence de 4 Hz, le débit étant de 3 ml/mn. Juste après le traitement, la suspension a été diluée de 4 fois dans le milieu d'extraction, qui est également dans le cas présent le milieu d'incubation. Il comportait une concentration finale de tampon de phosphate de potassium (0,1 M), du glycérol (0,3 M) et 1 mM DTT. Le séjour dans le milieu d'extraction a été de l'ordre de 6 heures. Le processus d'électropulsation et l'incubation suivante visant l'extraction se sont déroulés à température ambiante. L'activité des protéines récupérées a alors été évaluée par un test spécifique. La totalité des protéines libérées a été évaluée par le test Biorad. Pour Saccharomyces Cerevisiae, on a constaté que la libération de 80% des protéines cytoplasmiques, telles que de la glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase, de l'hexokinase, de la phosphoglycérate kinase, dans un milieu comprenant du phosphate de potassium (0,1 M), du glycérol (0,3 M) et 1 mM DTT, a duré 4 heures. b) On a réalisé un essai similaire, dans les mêmes conditions que ci-dessus, la croissance étant maintenue en phase stationnaire. On a obtenu des résultats similaires à ceux de a). c) Kluyveromyces lactis (souche strain 2209 a été cultivée dans YPL milieu (10 gll d'extrait de levure, 20 gll de peptone, 20 gll de lactose) et dans les mêmes conditions. Un protocole très similaire à celui de a) a été suivi. Après la culture des levures, les cellules ont été séparées par centrifugation à 2000 g pendant 5 mn, lavées deux fois avec de l'eau déionisée et diluées en eau déionisée, jusqu'à une concentration de 109 cellules/ml. Les paramètres de pulsation ont été choisis de la façon suivante : une série de quinze impulsions dont chacune d'une durée de 3 ms, à une fréquence de 4 Hz, donc à un débit pouvant atteindre 3 ml/mn. Une augmentation du débit peut être obtenue par une simple modification des caractéristiques géométriques de la chambre de pulsation et des performances de l'électropulsateur. Juste après leur traitement, la suspension est diluée de 4 fois dans le milieu d'extraction, qui est également dans le cas présent le milieu d'incubation, et comporte une concentration finale de tampon de phosphate de potassium (0,1 M), du glycerol (0,3 M) et 1 mM DTT. Le séjour dans le milieu d'extraction est de l'ordre de 8 heures. Le processus d'électropulsation et l'incubation suivante visant l'extraction se sont déroulés à température ambiante. Pour Kluyveromyces lactis, la libération de la beta-glycosidase cytoplasmique dans un milieu (Phosphate 0,1 M), du glycérol (0,4 M) et 2 mM DTT, a duré 7-8 heures. Après l'incubation, les cellules sont séparées du liquide contenant les protéines libérées par centrifugation. Ces données sont comparées avec les résultats d'une lyse classique des levures : on a constaté pour a), comme pour b) et c), l'absence de dégradation protéolytique, alors qu'elle a lieu avec les autres procédés. Moins de 5 à 10 % des enzymes ont été désactivées. Ce résultat montre la supériorité de la méthode électrique par rapport à ce qui est actuellement utilisé à l'échelle du laboratoire ou en processus industrie. Les profils après électrophorèse sur gel de polyacrylamine (PAGE) où des bandes nettes sans traînée sont présentes, ont confirmé l'absence de dégradation protéolytique au cours du processus d'extraction. Les résultats quantitatifs suivants ont été obtenus pour a), comme pour b) et c). - le bilan des protéines récupérées représente de 45 à 50% de toutes les protéines cellulaires (qui peuvent être obtenues par lyse cellulaire enzymatique ou désintégration mécanique) ; - le bilan des enzymes libérées et analysées est : phosphoglycérate kinase, glycéraldéhyde phosphate déshydrogénase et hexokinase de l'ordre de 80 à 90% de leur contenu dans les cellules. L'activité spécifique des enzymes dans le surnageant des cellules pulsées est de 1,7 à 2 fois supérieure que celle obtenue par broyage mécanique ou lyse enzymatique des cellules. On constate donc au stade de l'incubation, qu'une purification des enzymes fonctionnelles récupérées a lieu. REVENDICATIONS 1. Procédé de production de protéines dans lequel un flux de milieu liquide comportant au moins une levure est soumis à électropulsation, et les protéines libérées sont récupérées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape d'électropulsation est suivie d'une étape d'incubation. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou les levures sont en suspension dans le milieu liquide soumis à électropulsation. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la concentration de levure en suspension dans le milieu liquide est comprise entre 106 et 5x109 cellules/ml, de préférence 5x109 cellules/ml. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la levure est choisie parmi les espèces susceptibles de produire des protéines hétérologues et homologes, en particulier Saccharomyces, Kluyveromyces, Pichia, Candida et Hansenula. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les protéines libérées sont séparées des levures par filtration ou centrifugation. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'électropulsation est réalisée avec des intensités du champ d'au moins 1 kV/cm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'intensité du champ est comprise entre 1 et 5 kV/cm, de préférence 2 et 4 kV/cm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la durée des impulsions est supérieure à environ 1 ms. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la durée des impulsions est comprise entre 1 et 100 ms. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la durée des impulsions est comprise entre 1 et 15 ms. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la durée du traitement d'électropulsation est d'environ 0,01 à 100 s, de préférence 0,15 à 15 s. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions est supérieure à 0,1, de préférence 1 Hz. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la fréquence des impulsions est comprise entre 1 et 100 Hz. 15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions reçues par chaque cellule de levure est de l'ordre de 1 à 100, de préférence entre 12 et 20. 16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le nombre d'impulsions reçues par chaque cellule de levure est de l'ordre de 15. 17. Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que le milieu d'incubation comporte au moins un sel, de préférence le phosphate de potassium. 18. Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que le milieu d'extraction comporte au moins un agent préservant la stabilité des protéines extraites. 19. Procédé selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que le milieu d'extraction comporte au moins du dithiothréitol. 20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que le milieu d'électropulsation et de l'eau déionisée. 21. Procédé selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que le profil des impulsions de champ électrique est en vagues carrées, trapézoïdales, triangulaires, sinusoldales, sinusoïdales redressées mono et bialternance, ou à déclin exponentiel, unipolaires, bipolaires, symétriques ou asymétriques. 22. Procédé selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé en ce que le profil des impulsions est en vagues carrées. 23. Protéines obtenues par le procédé selon l'une quelconque des revendications de 1 à 22.