La psilocybine, un alcaloïde indole des champignons psychédéliques, présente un potentiel pour améliorer durablement le traitement de plusieurs maladies psychiatriques. Jusqu’à présent, la demande en psilocybine pour les essais cliniques est satisfaite par la synthèse chimique. Cette étude poursuit une approche biotechnologique pour développer un processus de production de psilocybine en utilisant une souche de Aspergillus nidulans conçue pour la surproduction.
Le régime de culture développé en fiole agitée est caractérisé sur le plan rhéologique et évalué en ce qui concerne sa sensibilité aux variations de la disponibilité en oxygène et de l’apport de puissance. En raison de l’impact important de l’apport de puissance sur la viscosité, et donc sur le transfert de masse (d’oxygène) et le mélange du bouillon de culture filamenteux, le bioprocédé est mis à l’échelle de la fiole agitée à un réacteur agité de 7 L en se basant sur l’apport de puissance spécifique.
L’utilisation d’un réacteur sous pression permet d’améliorer l’apport en oxygène au bouillon de culture visqueux. Par la suite, la limitation en azote est traitée en complétant le milieu de culture avec du sulfate d’ammonium additionnel pour fournir suffisamment de blocs de construction pour la biosynthèse des protéines. En produisant 542 mg/L de psilocybine en 68 heures à partir de glucose, un bioprocédé en mode batch, robuste et efficace, est développé. Ce procédé pourrait potentiellement contribuer à l’approvisionnement futur en psilocybine à des fins pharmaceutiques. De plus, l’étude démontre la pertinence des bioprocédés sous pression pour contrer les limitations en oxygène pour les organismes filamenteux sensibles au cisaillement.
L’étude vise à développer un processus de production biotechnologique de psilocybine en utilisant une souche génétiquement modifiée d’Aspergillus nidulans. Les objectifs principaux sont de caractériser les conditions de culture, d’optimiser l’apport en nutriments et en oxygène, et de réussir la mise à l’échelle du procédé d’une fiole agitée à un bioréacteur agité. L’objectif final est de créer un bioprocédé robuste et efficace en mode batch qui représente une stratégie compétitive pour la production de psilocybine à des fins pharmaceutiques.
- Micro-organisme : Utilisation d’une souche d’Aspergillus nidulans (RMSO11) génétiquement modifiée pour réprimer le catabolisme du tryptophane et surexprimer la voie de biosynthèse de la psilocybine.
- Culture : Les cultures sont d’abord menées en fioles agitées pour caractériser la croissance et la production, puis mises à l’échelle dans des bioréacteurs agités (STR) de 7 L et 7,5 L en mode batch.
- Optimisation du milieu : Le milieu minimal d’Aspergillus (AMM) est modifié en remplaçant le nitrate par du sulfate d’ammonium comme source d’azote pour améliorer la croissance et la production. La concentration en nutriments est ensuite augmentée pour lever les limitations.
- Conditions de culture : Pour surmonter la limitation en oxygène due à la haute viscosité du bouillon de culture, une surpression est appliquée dans le bioréacteur afin de maintenir l’oxygène dissous (DO) entre 30% et 100%.
- Analyses : Le poids sec cellulaire, les concentrations de glucose et d’ammonium sont mesurés hors ligne. La psilocybine et ses dérivés sont quantifiés par LC-HRMS. Les propriétés rhéologiques (viscosité) sont déterminées à l’aide d’un rhéomètre.
- Impact de la source d’azote : Le remplacement du nitrate par une quantité équimolaire de sulfate d’ammonium a augmenté la production de psilocybine de 44 %, atteignant 384 ± 21 mg/L en fiole agitée.
- Influence de l’oxygène : Les expériences en fiole démontrent qu’une forte limitation en oxygène réduit significativement la croissance et la formation de psilocybine, soulignant l’importance d’un approvisionnement adéquat en oxygène.
- Mise à l’échelle réussie : Le transfert du procédé vers un bioréacteur agité de 7 L, en se basant sur le critère de la puissance volumique spécifique (9.6 W/L), a permis d’obtenir une concentration de psilocybine de 409 ± 6 mg/L, ce qui est cohérent avec les résultats en fiole.
- Optimisation finale sous pression : La levée des limitations en azote (en quadruplant le sulfate d’ammonium) et en oxygène (grâce à la surpression) a permis d’atteindre une concentration maximale de 542 mg/L de psilocybine en 68 heures.
- Rendement élevé : Le procédé optimisé présente un rendement espace-temps (STY) de 8 mg/L/h, démontrant une production robuste et efficace.
- Dégradation et sous-produits : Une dégradation rapide de la psilocybine est observée après le pic de production. Plusieurs précurseurs et sous-produits de la biosynthèse, tels que la baeocystine et la norbaeocystine, sont également détectés.
Cette recherche établit un bioprocédé en mode batch, robuste et efficace, pour la production de psilocybine à partir d’Aspergillus nidulans. Les résultats suggèrent que cette approche biotechnologique peut être une alternative compétitive à la synthèse chimique pour l’approvisionnement en psilocybine de qualité pharmaceutique.
De plus, l’étude démontre que l’utilisation de la surpression dans les bioréacteurs est une méthode facilement applicable et efficace pour surmonter les limitations de transfert d’oxygène dans les cultures visqueuses d’organismes filamenteux, sans introduire de forces de cisaillement supplémentaires qui pourraient endommager les cellules. Cette technique est donc un outil précieux pour l’optimisation des bioprocédés impliquant des cultures similaires.
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