TD LV 213 2 parties: Enzymes impliquées dans le métabolisme des acides gras chez les microalgues et leurs applications en biotechnologie La stimulation de l’immunité innée chez les plantes. Un exemple d’application: Iodus 40 (“Vacciplant”) Macrolagues, oligosaccharides

Production d’acides gras oméga 3, dont l’acide docosahexaenoïque (DHA) CNAP Enzymes impliquées dans le métabolisme des acides gras chez les microalgues et leurs applications en biotechnologie Production d’acides gras oméga 3, dont l’acide docosahexaenoïque (DHA)

Plan du TD oméga 3 Rappels sur les acides gras et les lipides en général Pourquoi s’intéresser aux oméga 3 Acides gras présents dans le poisson, les plantes et les microalgues Comment utiliser les microalgues pour faire produire des acides gras oméga 3 par des plantes transgéniques

Quelques rappels sur les lipides - CH3-(CH2)n-COOH: saturaté désaturé: introduction de doubles liaisons par des enzymes appelées désaturases hydroxylation époxydation Comparison of (a) the chemical structures of fatty acids that occur widely in seeds and (b) ‘unusual’ fatty acids that occur in the seeds of a limited number of plants. The five fatty acids in (a) are primary components of vegetable oils derived from major oilseed crops such as soybean and canola. The fatty acids in (b) are examples of the hundreds of unusual fatty acids that occur in the seed oils of diverse plant species, most of which have limited agronomic value. Jaworski and Cahoon, COPB, 2003

Quelques rappels sur les lipides - Acides gras: saturatés, désaturés, hydroxylés - Glycérolipides (phospholipides, galactolipides, triacylglycérols) glycérol + acides gras + sucre, phosphate, choline, sérine - Stérols - Sphingolipides (molécules de signal chez les plantes et les animaux)

Nomenclature: - Δ, à partir du COOH - omega ou n, à partir du CH3 Oméga 3 (= n-3 fatty acids): EPA et DHA EPA, acide eicosapentaenoïque = 20:5Δ5,8,11,14,17 = 20:5n-3 DHA, acide docosahexaenoïque = 22:6Δ4,7,10,13,16,19 = 22:6n-3 Oméga 6 (= n-6 fatty acids): ARA: acid arachidonique = 20:4Δ5,8,11,14 = 20:4n-6 Et élongation à partir de l’extrémité COOH par des enzymes appelées élongases CH3 COOH 19 16 13 10 7 4 1 COOH CH3 1 2 3 CH3 COOH 1 2 3 4 5 6

Structure des phospholipides (phosphatidylcholine)

Incorporation dans les TAG Production et structure des triacylglycérols (TAG, huile) Acides gras Coenzyme A Acyl-CoA synthétase Acyl-CoA = Acide gras activé  Incorporation dans les TAG

Synthèse des lipides : 3 compartiments cellulaires

Pourquoi s’intéresser aux acides gras oméga 3? -Acides gras spécifiques des poissons gras (hareng, sardine), et que l’on retrouve dans des organes spécifiques (les yeux, le cerveau) -Les mammifères, dont les humains, n’ont qu’une capacité limitée à produire ces acides gras  nous devons donc les obtenir au cours de notre alimentation -Certaines maladies génétiques humaines sont liées à l’incapacité de l’organisme à produire ces acides gras -Les acides gras trouvées dans les huiles de poisson ne sont pas les mêmes que ceux présents dans les huiles végétales -Certains acides gras contenus dans les huiles de poisson ont un rôle vital dans le développement des nouveau-nés.

Pourquoi s’intéresser aux acides gras oméga 3 ? Les huiles de poisson peuvent permettre de prévenir certaines maladies humaines -L’ingestion quotidienne d’huiles de poisson peut limiter les risques d’apparition de diabètes de type II et de maladies cardio-vasculaires -Les huiles de poisson peuvent éviter les rechutes d’accidents cardiaques -Les huiles de poisson peuvent ralentir la progression du syndrome métabolique (ensemble de pathologies pouvant entraîner l’obésite, des maladies cardio-vasculaires, l’obésité) -Les acides gras contenus dans les huiles de poisson peuvent diminuer les douleurs arthritiques

Quelques généralités sur les acides gras polydésaturés? DHA: Docosahexaenoic acid: 22:6Δ4,7,10,13,16,19 = 22:6n3 EPA: Eicosapentaenoic acid: 20:5Δ5,8,11,14,17 = 20:5n3 long chain n-3 polyunsaturated fatty acids (omega 3 LC-PUFAs) en anglais LC-PUFAs dans la santé humaine: - précurseurs des eicosanoïdes: prostaglandines et thromboxanes - regulation du système immunitaire, coagulation du sang, neurotransmission, métabolisme du cholestérol - eicosanoïdes dérivés des n-6 (pro-inflammatoire) # eicosanoïdes dérivés des n-3 (anti-inflammatory) n-3 LC-PUFAs: - Facteurs de protection par rapport à certaines pathologies humaines, telles que les maladies cardiovasculaires (Communauté Inuit) - diminution du risque d’apparition du syndrome métabolique (= syndrome X, insulin resistance syndrome, dysmetabolic syndrome): ensemble de pathologies indicant une progression vers des maladies cardiovasculaire, le diabète de type II, l’obésité - Développement des centres nerveux, du cerveau, des yeux … recommendation pour l’addition de ces acides gras dans les aliments pour nouveau-nés  Bibliographie très abondante sur les effets positifs des ces acides gras en santé humaine  demande de plus en plus importante

Schéma général de biosynthèse des acides gras à longue chaîne 16:0 palmitic 16:1 palmitoleic elo elo Oméga 6 Oméga 3 Δ12des 18:0 stearic Δ9des 18:1 oleic 18:2n-6 linoleic Δ15des 18:3n-3 α-linolenic elo elo Δ9elo Δ9elo Δ6des Δ6des 20:0 arachidic 20:1 eicosenoic 20:2n-6 eicosadienoic 18:3n-6 γ-linolenic Δ15des 18:4n-3 20:3n-3 elo elo stearidonic eicosatrienoic Δ6elo Δ6elo Δ8des Δ8des 22:0 behenic 22:1 erucic 20:3n-6 dihomo-γ-linolenic Δ17des 20:4n-3 eicosatetraenoic elo Δ5des Δ5des 24:0 lignoceric 20:4n-6 arachidonic Δ17des 20:5n-3 eicosapentaenoic, EPA Δ5elo Δ5elo elo=élongase des=désaturase 22:4n-6 adrenic Δ17des 22:5n-3 ω3-docosapentaenoic Δ4des Δ4des Δ19des 22:5n-6 ω6-docosapentaenoic 22:6n-3 docosahexaenoic, DHA

Quelques généralités sur les acides gras polydésaturés? -Les mammifères doivent obtenir par leur régime alimentaire deux acides gras qu ’ils ne sont pas capables de synthétiser: l’acide linoléϊque (LA, 18:2n-6) l’acide α-linolénique (ALA, 18:3n-3) Ils sont appelés Essential Fatty Acids (EFAs)

elo=élongase des=désaturase Synthèse d’acides gras polydésaturés chez les plantes (à quelques exceptions près) Δ7des 16:0 palmitic 16:1 palmitoleic elo elo Oméga 6 Oméga 3 Δ12des 18:0 stearic Δ9des 18:1 oleic 18:2n-6 linoleic Δ15des 18:3n-3 α-linolenic elo elo 20:0 arachidic 20:1 eicosenoic elo elo 22:0 behenic 22:1 erucic elo 24:0 lignoceric elo=élongase des=désaturase

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

Quelques généralités sur les acides gras polydésaturés? -Les mammifères doivent obtenir par leur régime alimentaire deux acides gras qu ’ils ne sont pas capables de synthétiser: l’acide linoléϊque (LA, 18:2n-6) l’acide α-linolénique (ALA, 18:3n-3) Ils sont appelés Essential Fatty Acids (EFAs) -Seulement 1% des EFA sont converties en LC-PUFAs chez les mammifères -Les huiles extraites de plantes ne contiennent pas de LC-PUFAs -Les huiles de poisson sont riches en acides gras polydésaturés à longue chaîne (LC-PUFAs): EPA et DHA

Quelques généralités sur les acides gras polydésaturés? -Les mammifères doivent obtenir par leur régime alimentaire deux acides gras qu ’ils ne sont pas capables de synthétiser: l’acide linoléϊque (LA, 18:2n-6) l’acide α-linolénique (ALA, 18:3n-3) Ils sont appelés Essential Fatty Acids (EFAs) -Seulement 1% des EFA sont converties en LC-PUFAs chez les mammifères -Les huiles extraites de plantes ne contiennent pas de LC-PUFAs -Les huiles de poisson sont riches en acides gras polydésaturés à longue chaîne (LC-PUFAs): EPA et DHA -En fait, les poissons ne synthétisent pas les LC-PUFAs, ils les obtiennent au cours de leur alimentation: microalgues au début de la chaîne alimentaire

Considérations socio-économiques À considérer: -Rôle important des huiles de poissons en santé humaine et alimentation -ces huiles protègent contre les maladies cardiaques et le syndrome métabolique -Les huiles végétales ne peuvent pas apporter le même niveau de protection et les mêmes effets positifs sur la santé Mais: -Les stocks de poisson naturels s’épuisent et problème de pollution

Considérations socio-économiques À considérer: -Rôle important des huiles de poissons en santé humaine et alimentation -ces huiles protègent contre les maladies cardiaques et le syndrome métabolique -Les huiles végétales ne peuvent pas apporter le même niveau de protection et les mêmes effets positifs sur la santé Mais: -Les stocks de poisson naturels s’épuisent et problème de pollution -L’aquaculture des poissons nécessite des huiles de poisson, et utilise la majeure partie des quantités d’huiles de poisson produites -L’aquaculture des poissons ne peut pas utiliser les huiles végétales il est donc nécessaire de trouver une voie alternative de production d’huiles de poisson pour l’alimentation humaine et l’aquaculture  Les microalgues?

Synthèse des acides gras polydésaturés chez les microalgues 16:0 palmitic 16:1 palmitoleic elo elo Oméga 6 Oméga 3 Δ12des 18:0 stearic Δ9des 18:1 oleic 18:2n-6 linoleic Δ15des 18:3n-3 α-linolenic elo elo Δ9elo Δ9elo Δ6des Δ6des 20:0 arachidic 20:1 eicosenoic 20:2n-6 eicosadienoic 18:3n-6 γ-linolenic 18:4n-3 20:3n-3 elo elo stearidonic eicosatrienoic Δ6elo Δ6elo Δ8des Δ8des 22:0 behenic 22:1 erucic 20:3n-6 dihomo-γ-linolenic 20:4n-3 eicosatetraenoic elo Δ5des Δ5des 24:0 lignoceric 20:4n-6 arachidonic 20:5n-3 eicosapentaenoic, EPA Oméga 3 désaturase Δ5elo Δ5elo elo=élongase des=désaturase 22:4n-6 adrenic 22:5n-3 ω3-docosapentaenoic Δ4des Δ4des 22:5n-6 ω6-docosapentaenoic 22:6n-3 docosahexaenoic, DHA

Production d’huiles à partir de microalgues http://www.martekbio.com/ -Culture en fermenteurs (80 000 à 260 000 litres) des microalgues Crypthecodinium cohnii and Schizochytrium -Récolte des cellules par centrifugation -La biomasse ainsi concentrée est séchée. -Biomasse séchée broyée en fines particules -Incubation du broyat en présence de solvants pour extraire l’huile (acides gras) -Evaporation du solvant  huile brute -Traitements supplémentaires (raffinage = élimination des acides gras libres et des phospholipides ; bleaching/décoloration = élimination des composés responsables de la couleur de l'huile tels la chlorophylle et les pigments caroténoïdes ; élimination des odeurs) -Produit final = huile riche en DHA, claire et de couleur ambre

Comment sont obtenus l’EPA et le DHA ? Jusqu’à maintenant… poisson microalgues â â extraction de DHA et EPA extraction of DHA, EPA Mais: - diminution des stocks naturels de poisson - pollution - aquaculture (problèmes environnementaux) Mais: - coût élevé - problème de rendement - variation de production

Comment sont obtenus l’EPA et le DHA ? Bientôt ??? microalgues â gènes â plantes transgéniques â Huiles végétales â EPA, DHA