A quoi peuvent servir les microalgues et les macroalgues marines ?

1. A quoi peuvent servir les microalgues et les macroalgues marines ? Thierry Tonon Station Biologique de Roscoff UMR 7139 CNRS-UPMC, Végétaux Marins et Biomolécules Equipe de Génomique Fonctionnelle tonon@sb-roscoff.fr

2. Plan du cours : à revoir à la fin … • Une algue: c’est quoi? • Apparition des algues • Organisation cellulaire • Microalgues et production de substances naturelles • -Différents types de microalgues • -Substances naturelles: pigments, phycobiliprotéines, acides gras (TD) • -Méthodes de culture • Macroalgues et production de substances naturelles • -Différents types de macroalgues (rouges, vertes, brunes) • -Aquaculture • -Alimentation humaine • -Applications industrielles (agro-alimentaire, cosmétologie) • -Débouché(s) agricole(s): la laminarine (TD)

3. Step 1: Primary Endosymbiosis (~ 1 billion yrs ago) Plastid N1 N1 Cyanobacterium Heterotroph Chlorophytes, Land Plants, Red Algae, Glaucophytes Step 2: Secondary Endosymbiosis (~800 million yrs ago) Plastid Plastid I II Nm N2 N2 N2 N1 Photosynthetic Eukaryote Primitive red or green algae Heterokonts Haptophytes Euglenoids Dinoflagellates Cryptophytes Chlorarachniophytes (Nm: nucléomorphe) Heterotroph

4. Unicellularité et multicellularité

5. Organisation cellulaire - cellule type plante Mitochondrie Chloroplaste Membrane Cytoplasme REG Péroxysome Noyau Vacuole Golgi Paroi Ribosomes plasmodesme

6. Les principales caractéristiques biochimiques des cinq classes d’organismes photosynthétiques (paroi) Paroi: -phase squelettique (cellulose = polymère de glucose) -phase matricielle ou matrice extra-cellulaire (pectine, agar, carraghénanes, alginates)

8.  Les microalgues  • Groupe artificiel • Dinoflagellés, diatomées, chrysophytées, algues vertes etc. • Microscopiques • Eucaryotes • Unicellulaires, filamenteuses • Marine, eau douce, terre etc.

9.  1. Les microalgues: Dinoflagellées ~130 genres~ 2,000 espèces10 % eau douce, 90 % marinezooxanthellae dans les coraux (symbiose) Pigments : Chlorophylle a, c; péridinine Stockage : amidon, huiles  2. Les microalgues: Diatomées ~ 265 genres~100,000 - 10 millionsd’espèces 50 % eau douce,50 % marine Pigments : Chlorophylle a, c; fucoxanthine Stockage : amidon, huiles, graisses, chrysolaminarine  3. Les microalgues vertes (chlorophytes) • Eau douce, marine et eau hyper-saline • 17 000 espèces • Chlorophylle a, b; beta-carotène • Stockage: amidon

10.  1. Les microalgues: Dinoflagellées -Elles peuvent provoquer des blooms, entraînant l’apparition de marées rouges : on a alors des millions de cellules par ml - Elles peuvent rendre les mollusques (moules, huîtres, praires, coques, palourdes...) toxiques pour l'homme et les rendre impropres à la consommation car elles produisent des neurotoxines - Troubles gastro-entériques graves ou, plus rarement, atteintes neuro-musculaires  - Phénomène assez récurrent dans la mytiliculture du bassin de Thau en Languedoc et sur les côtes de l'Atlantique, notamment en Bretagne et en Vendée.

11.  2. Les microalgues: Diatomées • - Particulièrement importantes dans les océans car on estime qu’elles contribuent à 45% de la production primaire océanique totale • - 2 génome récemment séquencés: • -Génome publié pour Thalassiosira pseudonana (2004) • -En cours de publication pour Phaeodactylum tricornutum • Contiennent de la silice dans leur paroi (frustule) • Silice : importance industrielle reconnue (dentifrice, abrasifs, pneus, peintures, …) • Nécessite de haute température et de hautes pressions pour sa production •  Diatomées : source de silice naturelle ? Nanothechnologies ? A centric diatom showing radial symmetry A pennate diatom showing bilateral symmetry

12. Applications des microalgues 1. Aquaculture (voir article de Apt et Behrens 1998) 2. Substances présentant des propriétés antioxydantes 3. Pigments fluorescents 4. Acides gras polyinsaturés (oméga 3): cours et TD 5. Biocarburants 6. Techniques de production : système phototrophique, sytème hétérotrophique, milking 7. Intérêt des microalgues marines transgéniques/concept de green cell factory ?

13. Substances extraites des microalgues marines et leurs utilisationsindustrielles • Les microalgues: • -Plantes microscopiques, à croissance rapide (biomasse doublée en un jour pour certaines) • -Eléments nécessaires à la croissance: lumière, eau, CO2 et nutriments • -De nombreuses propriétés physiologiques et biochimiques • Production de nombreuses substances naturelles: pigments, protéines, enzymes, polysaccharides, acides gras, acides aminés, vitamines, et certains composés bioactifs peu courants • Composés/substances d’intérêt: • Extraits à partir le l’organisme ou l‘organisme lui-même • Si c’est un composé particulier qui est recherché, celui-ci doit être identifié, puis séparé/extrait de la biomasse cellulaire, de la façon la plus rentable possible

14. Substances extraites des microalgues marines et leurs utilisationsindustrielles

15. 1. Aquaculture • - Secteur d’activité croissant  nécessité d’établir et de maintenir la chaîne alimentaire pour nourrir les animaux jusqu’à ce qu’il soit commercialisables • - Algues = à la base de la chaîne alimentaire  zooplancton (rotifères, Artemia)  larve de poisson, coquillages • - Espèces d’algues cultivées couramment pour l’aquaculture: Chlorella, Tetraselmis, Isochrysis, Pavlova, Phaeodactylum, Navicula, Dunaliella, Amphora, Nitzschia, Cyclotella, Chaetoceros, Nannochloropsis, Skeletonema. • L’importance des microalgues dans la chaîne alimentaire impose d’avoir des méthodes de culture fiables pour produire ces organismes (culture phototrophe et hétérotrophe) • Tendance à utiliser des microalgues riches en éléments nutritionnels tels que les acides gras oméga 3, afin d’améliorer les propriétés nutritionnelles des rotifères et d’Artemia.

16. 2.1 Les caroténoïdes Pigments: Composés chimiques qui absorbent et émettent de la lumière à certaines longueurs d’onde (dans le visible) Les caroténoïdes: une des catégories de pigments Colorants généralement insolubles dans l’eau 700 pigments naturels produits naturellement par le phytoplancton (bactéries), les algues, les plantes et quelques champignons Responsables d’une large variété de couleur, parmi lesquelles la couleur des fruits (rouge, orange), des feuilles, … Pas de synthèse de novo chez les animaux  absorbés au cours de l’alimentation

17. Dunaliella salina: Production de ß-carotène (provitamine A) Beta-carotène: molécule qui donne la couleur orange aux carottes Le carotène est un important pigment de photosynthèse végétal est un tétraterpène, de formule C40H64 Les globules de beta-carotène sont stockées dans les chloroplastes Dunalellia est capable de supporter des conditions de culture extrêmes (milieu hypersalin, température élevée, pH élevé)  peu de contamination The large open ponds used for the culture of Dunaliella salina at Hutt Lagoon, Western Australia, by Congnis Nutrition and Health. The largest ponds are about 250 ha in area. Plusieurs hectares, mais faible profondeur

18. ß-carotène (pro-vitamine A): Applications Colorants artificiels Les caroténoïdes extraits de plantes sont utilisés comme colorants depuis plusieurs siècles Il existe aussi des carotènes synthétiques, utilisés pour colorer la margarine, le beurre Autres applications: glaces, jus de fruit, enrobage de tablettes  Le beta-carotène a un avantage sur les colorants artificiels car il est d’origine naturelle et n’a pas d’effets secondaires Propriétés anti-oxydantes -Réduit les risques de cancer de la prostate, des poumons, de la gorge, du larynx, des seins, de la vessie, de l'œsophage, et de l'estomac -Effets bénéfiques sur la vision (vitamine A = rétinol, pigment de l’oeil) -Effets bénéfiques sur le système immunitaire, réduit les risques d'infections -Cicatrisations des plaies -Protection de la peau contre des agressions extérieures (soleil) -Protège les cellules cérébrales contre les dommages liés à l'age -Diminue les risques d'infarctus et d'accidents vasculaires cérébraux -Favorise la croissance harmonieuse des tissus épithéliaux

19. 2.2 Astaxanthine : extraite de la microalgue Haematococcus pluvialis 3,3’-dihydroxy-ßß’-carotène-4,4’-dione Accumulation : 1 à 8 % du poids sec Valeur marchande: 2500 euros/kg (carotène : 750 euros /kg) Production variable selon les conditions du milieu de culture: Conditions de stress: lumière élevée, carence en nutriments Haematococcus pluvialis ponds

20. http://www.cyanotech.com/ Astaxanthine: Applications -Composé anti-inflammatoire: • arthrite, rhumatismes • douleurs articulaires et musculaires après l’exercice -Propriétés anti-oxydantes (supérieures à la plupart des autres caroténoϊdes) démontrées sur l’homme et l’animal: • protection de la peau contre les effets des rayons ultraviolets • stimulation du système immunitaire • stimulation du métabolisme énergétique - En élevage: Amélioration de l’état de santé général des animaux Supplément vitaminique pour la volaille - Aquaculture: Elevage (et coloration) de saumons Pour favoriser la qualité et la survie des larves de crevettes

21. 3. Pigments fluorescents (phycobiliprotéines) • Phycobilisomes • Larges complexes résultant de l’assemblage des phycobiliprotéines, servant à collecter la lumière et transférer l’énergie aux centres de réaction de la photosynthèse • Localisés à la surface des thylakoϊdes des cyanobactéries et des algues rouges • Phycobiliprotéines • Partie protéique + chromophore tétrapyrrolique linéaire • Protéines fluorescentes isolées du phycobilisome des cyanobactéries et des algues rouges • Phycocyanine, allophycocyanine et phycoérythrine: colorées en rouge/orangé • protéines solubles dans l’eau (cytoplasme, stroma)

22. 4. Les acides gras: les oméga 3 www.oenobiol.com - Les acides gras oméga 3 et oméga 6 sont des lipides indispensables qui s’intègrent aux membranes cellulaires -L’alimentation doit les apporter car notre corps ne peut pas les synthétiser -Un rapport oméga 3 / oméga 6 adéquat est essentiel à notre bon état de santé -Aujourd’hui, rapport déséquilibré : nous consommons 1 oméga 3 pour plus de 13 oméga 6, alors que les recommandations sont de 1 oméga 3 pour 4 oméga 6 -Les principaux oméga 3 sont l’ALA (acide linolénique), l’EPA (acide eicosapentaénoϊque), et le DHA (acide docosahexaénoϊque)

23. 16:0 16:1 18:1 palmitic palmitoleic oleic 18:0 18:3n-3 18:2n-6 stearic linoleic α-linolenic 18:3n-6 γ-linolenic 20:4n-3 20:3n-6 eicosatetraenoic dihomo-γ-linolenic 20:5n-3 20:4n-6 eicosapentaenoic, EPA arachidonic 22:5n-3 ω3-docosapentaenoic Synthèse des acides gras polydésaturés chez les mammifères Δ7des à partir de l’alimentation: Essential Fatty Acids (EFA) elo elo Oméga 6 Oméga 3 (18:2n-6 et 18:3n-3 produits par les plantes) Δ12des Δ9des Δ15des Δ6des Δ6des 18:4n-3 stearidonic Δ6elo Δ6elo Δ5des Δ5des « Sprecher » pathway Δ5elo elo=elongase des=desaturase Δ7elo 24:5n-3 Δ6des Peroxisomal ß-oxidation 22:6n-3 22:5n-6 docosahexaenoic, DHA

24. 4. Les acides gras: les oméga 3 www.oenobiol.com • Le DHA : • -Représente 95% des acides gras oméga 3 du cerveau • -Indispensable dès la naissance pour un développement optimal du cerveau • -Diminue les troubles de l’humeur et le stress • Une alimentation riche en produits marins ou une supplémentation en huile de poisson permet d'obtenir un taux adéquat de DHA • L'alternative : depuis juin 2003 une nouvelle source de DHA est disponible en Europe : le DHA algal extrait de la micro algue Schizochytrium sp.

25. 4. Les acides gras: les oméga 3 www.oenobiol.com Les avantages par rapport aux huiles de poissons (contenues dans la majorité des compléments nutritionnels riches en Oméga 3) sont nombreux : - Goût plus agréable - Meilleure digestibilité - Moins d’odeur - Meilleure stabilité des Oméga 3 - Pas de risque de contamination par les polluants car l’algue schizochytrium est produite par fermentation industrielle. Mélange d’ALA d’origine végétale, d’EPA et de DHA d’origine algale

26. 4. Les acides gras: les oméga 3 A voir en TD !

27. Le biodiesel, biogazole ou B100 (B20, B5, B2, etc) est un carburant obtenu à partir d'huile végétale ou animale transformée par un procédé chimique appelé transestérification. Le biodiesel peut être utilisé seul dans les moteurs ou mélangé avec du pétrodiesel. Alcool (méthanol) + lipides (TAG)  biodiesel + glycérine (glycérol) Pour que la réaction se déroule le plus rapidement possible, il faut chauffer le liquide vers 50 °C et ajouter une base comme catalyseur. La base peut être, par exemple, de l'hydroxyde de sodium ( soude caustique, NaOH). Pour un meilleur rendement énergétique global on peut aussi choisir de laisser simplement réagir sans chauffer, la réaction prenant alors quelques heures.

28. 5. Biocarburants • -Les algues unicellulaires constituent une source potentielle de biocarburants très intéressante • -Biodiesel ? • -Utilisation de microalgues forte teneur en lipides (50% à 80% en masse) et à temps de doublement rapide (de l'ordre de 24h). •  Nécessité de sélectionner des souches présentant ces caractéristiques • Nombreux programmes de recherche par des instituts publics et des entreprises privées Caractéristiques de croissance

29. 5. Biocarburants • -Les algues unicellulaires constituent une source potentielle de biocarburants très intéressante • -Biodiesel ? • -Utilisation de microalgues forte teneur en lipides (50% à 80% en masse) et à temps de doublement rapide (de l'ordre de 24h). •  Nécessité de sélectionner des souches présentant ces caractéristiques • Nombreux programmes de recherche par des instituts publics et des entreprises privées Nile Red : coloration des gouttelettes lipidiques intracellulaires (triacylglycérols)

30. 5. Biocarburants • -Les algues unicellulaires constituent une source potentielle de biocarburants très intéressante • Plusieurs techniques de production sont étudiées : • -Culture en étang. • -Culture sous serre. • -Culture dans des bioréacteurs fortement insolés, où la production d'algues est accélérée par barbotage de CO2 (évitant ainsi le rejet immédiat de ce gaz à effet de serre issu d'une industrie polluante comme une centrale électrique thermique à flamme). • Problème : la nécessité d'alimenter les cultures d'algues en fortes concentrations de CO2. Tant que ce CO2 sera issu de l'exploitation d'une énergie fossile, on en pourra pas réellement considérer cette source de biocarburant comme une énergie renouvelable. Sera-t-il un jour possible d'utiliser efficacement le CO2 atmosphérique ?

31. Méthodes de culture et de production des microalgues Systèmes phototrophiques Système ouverts -Profiter de la lumière naturelle -Système ouvert : problème de contamination par d’autres algues et par des micro-organismes -Nécessité de gérer des quantités importantes d’eau pour récolter les algues Variations de lumière journalières et saisonnières Systèmes fermés utilisant la lumière naturelle  Photobioreacteurs -Eau + nutriments + lumière (effet d’ombrage)  fermenteurs peu rentables -Utilisation de matériaux transparents -Pas de contamination -Problème pour éliminer l’oxygène produit et contrôler la température Systèmes fermés utilisant de la lumière artificielle -Possibilité d’optimiser les paramètres de culture -Production à faible échelle de composé à haute valeur ajoutée

32. Méthodes de culture et de production des microalgues Systèmes hétérothrophiques -Seules quelques espèces de microalgues sont capables de pousser en absence de lumière : Chorella, Nitzschia, Cyclotella, Tetraselmis, Crypthecodinium, Schizochitrium -Culture des microalgues en utilisant le glucose ou un autre composé carboné comme source de carbone et d’énergie -Il est estimé que la culture en condition hétérotrophe coûte 10 fois moins chère qu’en condition phototrophique -Utilisation de fermenteurs, identiques à ceux utilisés pour les bactéries et les levures  contrôle de tous les paramètres de culture -quantité de biomasse 10 fois plus élevée que ce qui est obtenu par culture basée sur la lumière

33. Limitations… -Faible rendement au niveau de la quantité de biomasse et de la quantité de produit formé -Produits intéressants = produits du métabolisme secondaire, normalement synthétisés quand la croissance est limitée -Alternative: le milking = « la traite/écrémage des microalgues » Extraction des composés au fur et à mesure qu’ils sont produits Utilisation de la biomasse en continu Principe d’un bio-réacteur à 2 phases utilisé pour la production de β-carotène par Dunaliella salina. Une phase organique (solvant) est injectée et circule en continu dans la phase aqueuse (culture) afin de réaliser l’extraction Pour plus d’information: Wijffels et collaborateurs, Wageningen, Hollande

34. 7. Les microalgues comme systèmes d'expression génétique: système eucaryotique d’expression pour la production de protéines de mammifère/green cell factory ? • Intérêt des microalgues: ingénierie métabolique • -expression de gènes hétérologues • -modification du métabolisme endogène • Augmenter la production de composés algaux • Production de nouvelles molécules bioactives Pour des applications industrielles et phamaceutiques • -Microalgue la plus utilisée pour le moment pour ce type d’application = Chlamydomonas reinhardtii • Synthèse d’anticorps et d’hormones

35. 7. Les microalgues comme systèmes d'expression génétique: système eucaryotique d’expression pour la production de protéines de mammifère/green cell factory ? -Chez les microalgues marines, les systèmes d’expression sont moins avancés -Il faut aussi distinguer 2 types de transformation : transformation du noyau et transformation des chloroplastes -Transformation nucléaire 3 groupes : chlorophytes (chlamydomonas, algue d’eau douce), diatomées (plusieurs espèces, dont Phaeodactylum tricornutum), et dinoflagéllées (Amphidinium, Symbiodinium) -Transformation chloroplastique Porphyridium -Plusieurs techniques possibles : électroporation, bombardement de particules

36. Transformation nucléaire / transformation chloroplastique Transformation chloroplastique: Recombinaison dirigée Niveau d’expression du transgène élevé No silencing Transformation nucléaire: Excrétion, glycosylation Inactivation et/ou surexpression de gènes endogènes Nouvelles voies de synthèse

37. La mise en place de systèmes d’expression nécessite de disposer d’un certain nombre d’outils, plus ou moins spécifiques des microalgues marines Gènes marqueurs, gène rapporteurs, promoteurs, l’usage des codons, la présence d’introns dans les gènes, …

38. Les macroalgues • -Alimentation humaine • - Présentation de plusieurs espèces présentant un intérêt économique • Aquaculture • - Industries agro-alimentaires • Cosmétique • Applications pharmaceutiques et biomédicales • Application en agriculture (amendement, vaccin des plantes) • Autres applications diverses

39. Les algues dans l’alimentation humaine -Le Japon est le premier producteur d’algues, et c’est le pays où l’on consomme le plus d’algues par habitant: 1,6 à 2,3 kg/an/personne -En France, on utilise les algues dans l’alimentation depuis plus de 40 ans, à cause de leurs propriétés physico-chimiques (additifs alimentaires) -Consommation des algues en France: 0.1 kg par an et par personne Récolte annuelle d’algues alimentaires 250 tonnes en France -Les algues peuvent être considérées comme des légumes à part entière -Au début des années 80, les algues en tant que légumes ont été autorisés à la consommation en France : une quinzaine de variétés bénéficient de cette autorisation -les macroalgues = sources de phycolloϊdes

40. Principales espèces d’algues utilisées dans l’alimentation

41. Algues alimentaires autorisées en France

42. Pourquoi consommer des macroalgues ? Atouts nutritionnels -Peu de calories, riches en fibres -Teneur en iode: les macroalgues concentrent l’iode contenu dans l’eau de mer

43. • Élément participant activement à la chimie de l’atmosphère (destruction de l’ozone) • Élément indispensable dans l’alimentation humaine car primordial pour le bon fonctionnement de la glande thyroïdienne L’iode en bref • Parmi les halogènes (chlore, brome) : Iode principalement dans l’eau de mer sous forme de traces • Concentration totale d’environ 0.50 µM soit 1/2,000ème et 1/1,000,000ème des concentrations en brome et en chlore respectivement • Elément participant activement à la chimie de l’atmosphère (destruction de l’ozone) • Elément indispensable dans l’alimentationhumaine car primordial pour le bon fonctionnement de la glande thyroïdienne

44. Pourquoi consommer des macroalgues ? Atouts nutritionnels -peu de calories, riches en fibres -teneur en iode: -les macroalgues concentrent l’iode contenu dans l’eau de mer. -l’apport de 150mg/j d’iode conseillé pour un adulte pourrait être couvert par quelques grammes secs d’algues (les laminaires sont les plus riches) -riches en protéines, mais ne contiennent pas tous les acides aminés présents dans l’œuf -pauvres en lipides, mais présentent un taux en acides gras essentiels supérieurs à celui des autres végétaux -elles constituent une source végétale en calcium intéressante en complément des produits laitiers ou dans certains régimes végétariens. Le calcium contenu dans les algues est bien assimilables par les organismes -vitamines : la composition en vitamines des algues varie selon les saisons -Provitamine A, vitamine C : algues brunes et vertes -vitamine E: algues brunes -vitamine B12 -les fibres: les fibres alimentaires représentent 32 à 50% de la matière sèche, et plus de la moitié sont solubles. Elles sont très mucilagineuses et facilitent le transit intestinal (constipation)

45. Ulva sp. Algues vertes « Laitue de mer » Avis favorable pour l’alimentation humaine : Algue la plus consommée en Europe Récoltée de manière traditionnelle sur les côtes bretonnes Crue hachée finement avec des crudités, cuite en accompagnement, séchée Riche en protéines (18 %) Riche en minéraux (30 %) : I, Ca, Cu, Fe (= 12 fois les lentilles, = 2 fois le germe de blé), Mg (jusqu’à 2 à 3 %) Vitamines A, B1, C Complément alimentaire pour bétail, amendement azoté Enteromorpha intestinalis « AoNori » Avis favorable pour l’alimentation humaine Odeur marine Riche en vitamines A, PP (B3 = niacine, acide nicotinique, nicotinamide)

46. Compostage des végétaux et des algues vertes : 75/25  Compost riche en oligo-éléments  2 nouveaux produits: Terreau des grèves et Terreau de la baie "Au départ, explique Bernard Robert, le mélange s'opérait à 50/50 avec pour principal objectif de stabiliser les algues. Mais désormais il s'effectue à 75 % de végétaux et 25 % d'algues. Ce qui permet d'obtenir un compost aux normes AFNOR 44 051 "Amendement organiques" commercialisé sous l'appellation "Terreau des Grèves". La technique a d'abord fait l'objet d'expérimentations sous le contrôle de la Chambre d'agriculture du Finistère à St Pol de Léon et des analyses régulières sont effectuées auprès de laboratoires officiels comme le LDA de Ploufragan.

47. Algues brunes Espèce largement exploitée : cosmétique, agriculture, alimentation Technique de récolte manuelle Ascophyllum nodosum Avis favorable pour l’alimentation humaine Riche en vitamines B, en iode et en fer Avis favorable pour l’alimentation humaine Consommation récente : « spaghettis ou haricots de mer » Cru en salade ou cuit Riche en minéraux (32% du poids sec) Riche en vitamines A, B6, F, C et D Bocaux dans les grandes surfaces Riche en alginates Himanthalia elongata « Wakamé » Traditionnel en Asie Avis favorable pour l’alimentation humaine Introduction accidentelle en Méditerranée Techniques de culture développée par l’IFREMER Cultures en Bretagne pour l’alimentation Riche en protéines Riche en minéraux (26%) : Na, Fe, K, Ca (10 à 20 fois celle du lait) Vitamines A, B1, B2, C Undaria pinnatifida

48. Les différentes parties du thalle de Laminaria digitata