Criblage, identification et optimisation des conditions de fermentation pour Bacillus subtilis produisant de la cellulase à haut rendement
Ces dernières années, avec l'utilisation illimitée des combustibles fossiles, les prix mondiaux du pétrole ont fluctué de façon spectaculaire, affectant gravement la vie quotidienne de l'homme. Les gens se préoccupent de plus en plus de la recherche et du développement de nouvelles sources d'énergie alternatives, et la biomasse cellulosique est actuellement reconnue comme la source d'énergie renouvelable la plus précieuse et la plus prometteuse. La biomasse cellulosique est la biomasse la plus répandue et la plus abondante sur Terre. Elle est principalement composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine. Cependant, la cellulose, l'hémicellulose et la lignine sont étroitement liées par des liaisons hydrogène et covalentes, ce qui confère à la biomasse une structure tenace. Nous n'avons exploité que moins de 2% de ressources cellulosiques. L'utilisation de la biotechnologie moderne pour convertir la cellulose en carburants liquides tels que l'éthanol offre des rendements stables, renouvelables et non polluants, et peut résoudre des problèmes tels que la crise énergétique, la pollution de l'environnement et la crise alimentaire. Mais pour résoudre ce problème, la chose la plus cruciale est d'obtenir des cellulases efficaces et peu coûteuses.

La cellulase est un terme collectif désignant un groupe de systèmes enzymatiques complexes qui dégradent la cellulose pour produire des monosaccharides ou des polysaccharides, comprenant principalement l'endoglucanase, l'exoglucanase et la β -1,4 glucosidase. Ces trois enzymes travaillent ensemble pour dégrader les substances cellulosiques. À l'heure actuelle, la recherche sur les bactéries productrices de cellulase se concentre principalement sur les champignons tels que Trichoderma, Penicillium et Aspergillus. Cependant, la plupart de leurs cellulases se lient à la membrane cellulaire, ce qui n'est pas pratique à utiliser, et le coût de la séparation et de l'extraction des enzymes est trop élevé. En outre, les cellulases fongiques ont non seulement un long cycle de production, mais la plupart des cellulases produites doivent également être produites à des températures plus élevées pour être efficaces. À température ambiante ou à des températures plus basses, l'activité enzymatique est très faible. Les bactéries poussent plus vite que les champignons, peuvent obtenir des niveaux d'expression plus élevés d'enzymes recombinantes et peuvent produire des glycosides hydrolases plus complexes pour des réactions synergiques d'hydrolyse enzymatique. Par ailleurs, les bactéries présentent une grande diversité naturelle et sont plus susceptibles de produire des enzymes résistantes à la chaleur et stables aux alcalis. Jusqu'à présent, les bactéries productrices de cellulase qui ont été largement étudiées sont Vibrio, Bacillus, Bacteroides, Clostridium, Erwinia, Ruminococcus et Thermomonas.

Jusqu'à présent, bien que de nombreuses recherches aient été menées sur la conversion de la lignocellulose, la conversion de la biomasse cellulosique en bioéthanol reste confrontée à des défis importants en raison des coûts commerciaux élevés des hémicellulases et des cellulases. Il est donc urgent de développer de nouvelles cellulases efficaces et peu coûteuses, et la sélection de souches de cellulases à haut rendement est particulièrement importante. Le criblage de souches bactériennes productrices de cellulases à haut rendement à partir de souches conservées en laboratoire, l'identification et la recherche sur ces souches, la fourniture de sources de souches pour la recherche sur la préparation de cellulases et l'établissement d'une certaine base pour l'amélioration génétique, la construction de souches de génie génétique et d'autres travaux.

 

Dans cette étude, un total de 5 souches de bactéries à forte production de cellulase ont été sélectionnées à partir de souches conservées en laboratoire. Les caractéristiques morphologiques, physiologiques et biochimiques ainsi que l'analyse de l'ADNr 16S ont permis d'identifier Bacillus subtilis, 2 souches de Bacillus subtilis et 3 souches de Bacillus amyloliquefaciens. De nombreux champignons et bactéries présents dans la nature peuvent produire diverses cellulases. À l'heure actuelle, de nombreuses études ont été menées sur les cellulases fongiques et les cellulases commercialisées proviennent principalement de champignons. Les bactéries productrices de cellulase ont également attiré l'attention en raison de leur forte adaptabilité et d'autres avantages, et elles sont susceptibles de devenir une source très importante de cellulase dans l'industrie. Parmi elles, Bacillus subtilis peut produire et sécréter un grand nombre d'enzymes extracellulaires, ce qui en fait la principale bactérie étudiée. En outre, elles peuvent également former des endospores et des métabolites secondaires dans des conditions de croissance lente dans la matrice de cellulose, ce qui leur confère un avantage concurrentiel. Parmi elles, Bacillus subtilis est l'excellente bactérie productrice de cellulase la plus rapportée, tandis que Bacillus amyloliquefaciens l'est rarement.

Le rapport entre le diamètre du cercle d'hydrolyse et le diamètre de la colonie sur la plaque de CMC rouge Congo dans cet article est supérieur à 4,5, le minimum ZB6 étant de 4,61 et le maximum AF1 atteignant 8,04, ce qui dépasse de loin les souches bactériennes à forte activité enzymatique criblées à l'aide de la même méthode, telles que rapportées dans la littérature nationale et étrangère existante. L'activité enzymatique la plus élevée signalée dans la littérature était celle de la souche PX19 isolée par Tang Hao et al. dans le tractus intestinal de l'éléphant bambou géant. Le rapport entre le diamètre du cercle d'hydrolyse et le diamètre de la colonie de la souche ayant l'activité enzymatique la plus élevée n'était que de 4,83. Après avoir optimisé et criblé les conditions de fermentation solide pour la production de cellulase par la souche AF1, son activité enzymatique la plus élevée sur papier filtre peut atteindre 26,904U/g. En outre, l'équipe de recherche précédente a découvert que la bactérie AF1 peut également produire une amylase, une protéase et des substances antibactériennes à large spectre très actives. Utilisée pour l'alimentation des poussins, elle peut améliorer de manière significative l'indice de conversion alimentaire, inhiber la croissance des agents pathogènes, réduire l'apparition des maladies et diminuer le taux de mortalité. Il s'agit d'une souche puissante aux fonctions multiples et au potentiel de développement important.