The growth characteristics and metabolic profiling of Δ 5,7 -sterols and fatty acids in Schizochytrium sp. S31 under different culture conditions

Au plus profond du monde microscopique de l'océan, un groupe d'organismes unicellulaires connus sous le nom de thraustochytridiés joue un rôle discret mais vital. Ces minuscules hétérotrophes, qui ne peuvent pas fabriquer leur propre nourriture comme les plantes mais consomment plutôt de la matière organique, agissent comme des recycleurs essentiels dans les écosystèmes marins. Ils décomposent la matière morte et contribuent au cycle du carbone, pourtant ils ont récemment attiré l'attention des scientifiques pour une autre raison : leur capacité à fabriquer des nutriments de haute valeur. Parmi ces nutriments figurent des acides gras à chaîne longue, tels que l'acide docosahexaénoïque (DHA), qui est crucial pour la santé du cerveau et du cœur humain, et des stérols, des molécules cireuses qui aident à construire et à stabiliser les membranes cellulaires. Certains de ces organismes produisent également de l'astaxanthine, un pigment antioxydant puissant qui donne aux saumons et aux flamants roses leur couleur rose. Le défi pour les chercheurs a été de comprendre comment inciter ces usines microscopiques à produire ces composés précieux de manière efficace, car leur rendement dépend fortement de l'environnement dans lequel ils sont cultivés.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de cartographier les conditions environnementales précises requises pour maximiser la production de ces trois composés distincts dans une souche spécifique de thraustochytridié appelée Schizochytrium sp. S31. Ils se sont concentrés sur trois variables clés : la quantité de sucre (glucose) disponible comme nourriture, la salinité de l'eau et le niveau d'acidité (pH). En ajustant systématiquement chacun de ces facteurs en laboratoire, ils ont observé comment les cellules croissaient et comment leur composition chimique interne changeait. L'objectif n'était pas seulement de faire croître plus de cellules, mais de trouver le « point idéal » où l'organisme produirait simultanément de hautes quantités de stérols, de DHA et d'astaxanthine, plutôt que de produire l'un au détriment des autres.

Les chercheurs ont découvert que, bien que le sucre et l'acidité comptent, la salinité de l'eau était le levier le plus puissant pour modifier le profil chimique de la cellule. Lorsque la culture était cultivée dans des conditions de faible sel, spécifiquement à une concentration de 10 grammes de sel de mer par litre, les cellules atteignaient leurs niveaux les plus élevés d'acides gras totaux et de DHA. Dans cet environnement, un type spécifique de stérol appelé ergostérol constituait la plus grande partie du contenu stérolique de la cellule, représentant 41 pour cent. Cependant, à mesure que la concentration en sel augmentait, les cellules changeaient de stratégie. Elles commençaient à produire un type de stérol différent, connu sous le nom de C28-Δ5,7, qui devenait la forme dominante sous une salinité plus élevée. Ce changement suggère que les cellules remodèlent activement leur structure interne pour survivre au stress d'un environnement plus salé, tout comme une personne pourrait ajuster ses vêtements lorsque la météo change.

L'étude a également révélé que les cellules ont une limite de traitement du sucre. La biomasse maximale, ou poids cellulaire total, était atteinte lorsque la culture contenait 60 grammes de glucose par litre. Ajouter plus de sucre au-delà de ce point n'aidait pas les cellules à croître davantage ; en fait, cela les entravait légèrement, probablement parce que la haute concentration de sucre créait un stress physique qui rendait plus difficile l'absorption des nutriments par les cellules. Curieusement, la relation entre les différents nutriments était complexe. Alors que les faibles niveaux de sel favorisaient la production d'acides gras et de DHA, ils supprimaient en réalité la production d'astaxanthine. Inversement, des niveaux de sel plus élevés semblaient encourager une légère augmentation de l'astaxanthine, même si les niveaux de DHA diminuaient. Cela indique que les voies utilisées par les cellules pour fabriquer ces substances sont liées mais peuvent être tirées dans des directions différentes selon l'environnement.

Pour comprendre la machinerie derrière ces changements, les chercheurs ont examiné l'activité génétique à l'intérieur des cellules sous différentes conditions de sel. Ils ont constaté que lorsque le niveau de sel était bas, les cellules intensifiaient un processus appelé bêta-oxydation, qui décompose les acides gras pour générer de l'énergie et des éléments de construction. Cette poussée d'activité fournissait un surplus d'acétyl-CoA, une molécule fondamentale qui alimente les lignes de production des deux pour le stérol et le DHA. Cependant, les cellules réduisaient également les gènes responsables des étapes finales de la fabrication de l'astaxanthine. Cet ajustement génétique explique pourquoi les cellules pouvaient produire autant de DHA et de stérols en faible sel, mais retenaient la production d'astaxanthine. L'étude a identifié des gènes spécifiques qui pourraient être des cibles pour une future ingénierie, suggérant que l'organisme a le potentiel de produire d'autres stérols de valeur, tels que le cholestérol et le stigmastérol, si les conditions appropriées étaient réunies.

Le résultat le plus fructueux de l'étude s'est produit lorsque les chercheurs ont combiné les niveaux optimaux des trois facteurs : 60 grammes de glucose, 10 grammes de sel de mer et un pH de 5,5. Sous ces conditions spécifiques, la culture a atteint une densité cellulaire maximale de 17,4 grammes par litre. Plus important encore, cet environnement a permis l'accumulation simultanée des trois composés cibles. Les cellules ont produit 50,73 milligrammes de Δ5,7-stérols totaux par litre, 1 097 milligrammes de DHA par litre et 0,11 milligramme d'astaxanthine par litre. Ces résultats démontrent qu'il est possible de guider une seule souche microbienne pour la co-production de multiples bioactifs de haute valeur, plutôt que de forcer un choix entre eux.

Ce travail fournit une feuille de route claire pour cultiver ces usines microscopiques. En comprenant que les niveaux de sel agissent comme un interrupteur primaire pour le type de stérols produits, et que les niveaux de sucre dictent la limite de croissance globale, les scientifiques peuvent mieux concevoir les processus de fermentation. Les conclusions suggèrent que les voies métaboliques pour la fabrication des graisses, des stérols et des pigments sont profondément interconnectées, répondant au stress environnemental de manière coordonnée. Bien que cette étude se soit concentrée sur une seule souche dans un cadre contrôlé, les enseignements tirés offrent une base pour développer des méthodes plus efficaces pour récolter ces nutriments, qui sont de plus en plus importants pour la santé humaine et les applications industrielles. La recherche confirme qu'avec les bons indices environnementaux, ces minuscules cellules peuvent être poussées à devenir des sources hautement productives de nutriments essentiels.