Optimisation du processus de fermentation du paraherquamide A à l'aide de la méthode de la surface de réponse
Les nématodes parasites sont des maladies parasitaires du bétail et de la volaille qui affectent gravement le développement de l'élevage. À l'heure actuelle, les avernectines sont les médicaments antiparasitaires les plus utilisés dans la pratique clinique vétérinaire à travers le monde. Toutefois, en raison de l'utilisation abusive de ce médicament, des souches résistantes sont apparues dans de nombreuses régions. À la fin des années 1980, la Chine a introduit et largement utilisé ce type de médicament. Aujourd'hui, les nématodes gastro-intestinaux des moutons domestiques ont développé divers degrés de résistance aux médicaments à base d'avermectine. Startect ® est un nouveau type de vermifuge oral à courte durée d'action pour les moutons, développé par Zoetis, la plus grande entreprise mondiale de médicaments et de vaccins pour la santé animale, qui peut prévenir et résoudre efficacement les maladies parasitaires du bétail et de la volaille et leurs problèmes de résistance aux médicaments. Les ingrédients actifs de ce médicament sont le derquantel (10mg/mL) et l'avermectine (1mg/mL). La dose standard de Startect ® est de 1mL/5kg (volume de liquide/poids corporel du mouton), et chaque mouton adulte de 50kg nécessite environ 0,1g de Dexmedetomidine à administrer une fois. Selon les statistiques de l'Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), le cheptel ovin mondial s'élève à 1,2 milliard de têtes. Par conséquent, la demande potentielle de Dequnt se chiffre en centaines de tonnes, voire plus, et la demande du marché est énorme.

Le dextrant est un dérivé chimique du métabolite fongique Paraherquamide A (PA), qui est principalement obtenu par réduction du carbonyle amide et désoxygénation du PA (voir figure 1). Par conséquent, l'approvisionnement en matières premières industrielles de la Dequnte est principalement affecté par la production de PA. Cependant, la structure chimique des produits naturels tels que le paraherquamide est complexe. Bien qu'ils puissent être synthétisés chimiquement à partir de matières premières industrielles telles que l'isoprène ou les époxydes d'isoprène, leurs étapes de réaction chimique peuvent atteindre 46 étapes, ce qui entraîne des coûts élevés et des rendements extrêmement faibles (2,5%), rendant difficile leur production à l'échelle industrielle. La production de PA par fermentation microbienne est actuellement un moyen efficace d'obtenir ce composé à grande échelle. L'AP a d'abord été isolé à partir du produit de fermentation d'une souche de Penicillium paraherquei, un champignon appartenant au genre Penicillium. Cependant, la puissance de l'AP produit par le Penicillium de type sauvage n'était pas élevée, ce qui a entravé la poursuite de la recherche expérimentale et de l'application industrielle. Dans la recherche sur l'application des métabolites fongiques, le niveau d'activité du métabolite cible dépend non seulement de la performance de la souche elle-même, mais surtout de l'optimisation des conditions de fermentation et de culture afin d'utiliser pleinement sa capacité de production. La méthodologie de la surface de réponse est actuellement largement utilisée pour optimiser la culture de la fermentation microbienne. Cette méthode combine la conception expérimentale et la modélisation mathématique et présente les avantages suivants : moins d'expériences, des cycles plus courts, une plus grande précision dans l'obtention des équations de régression, une meilleure performance prédictive et l'étude de l'interaction entre plusieurs facteurs.

Lors des travaux préliminaires, notre groupe de recherche a découvert un champignon Penicillium KWF31 d'origine marine produisant beaucoup de PA. L'exploration initiale a montré que sa capacité de fermentation était de 55,8 ± 3,7 mg/L dans le milieu Chatelier, ce qui ne répondait pas aux exigences de la production industrielle. L'objectif de cette étude est d'optimiser le milieu de fermentation de la souche KWF31 en utilisant des méthodes de surface de réponse telles que le plan de Plackett Burman, le plan de montée la plus raide et le plan de Box Behnken, et d'établir un schéma technologique de production de PA stable et à haut rendement.

Le PA est un alcaloïde indole isopentényle doté d'une structure chimique unique et d'une excellente activité de résistance aux insectes. Il s'agit d'une matière première pour la synthèse du Dextrant, un agent commercial résistant aux insectes, qui a une valeur marchande élevée et une énorme demande sur le marché. Cependant, la souche de Penicillium de type sauvage a un faible rendement en PA, avec de multiples étapes de synthèse chimique et un faible rendement, ce qui fait qu'il est difficile de répondre à la demande du marché. Cette étude a utilisé le plan de Plackett Burman pour sélectionner trois composants du milieu qui affectent de manière significative la production de PA par fermentation horizontale de la souche sauvage KWF31 dans des flacons à agitation à partir de huit facteurs : amidon soluble, glucose et extrait de levure ; leurs concentrations ont été progressivement optimisées à l'aide d'expériences d'escalade et du plan de Box Behnken. Les concentrations optimales sont les suivantes : amidon soluble 31,0 g/l, glucose 1208 g/l et extrait de levure 14,5 g/l. Dans ce milieu, la souche de type sauvage KWF31 a montré une puissance élevée de 243,7 mg/L pour la production d'AP pendant la fermentation horizontale en fiole agitée, ce qui est 3,4 fois plus élevé qu'avant l'optimisation (55,8 mg/L). Le processus établi dans cette étude pour la production par fermentation d'AP par le champignon marin KWF31 présente une bonne reproductibilité, une bonne stabilité et une bonne contrôlabilité. Sur cette base, la poursuite du développement de processus de fermentation industrialisés jette les bases du développement de nouveaux pesticides anti-nématodes en Chine, ce qui a une importance théorique et pratique importante pour la promotion d'un développement sain de l'élevage en Chine.