Comment produire de la vitamine B12 avec des bactéries ?

Temps de lec­ture : 8 minutes

Les vita­mines sont des molé­cules n’é­tant pas syn­thé­ti­sées par un orga­nisme et qui doivent être trou­vées dans sa nour­ri­ture. Chez les humains, une carence en vita­mines peut conduire à l’ap­pa­ri­tion de mala­dies. Un régime végé­ta­rien ou végé­ta­lien pro­cure de nom­breux avan­tages pour la san­té humaine et pour l’en­vi­ron­ne­ment mais peut conduire à une carence en vita­mine B12 [1,2]. Celle-ci est absente des végé­taux et pro­vient prin­ci­pa­le­ment de la consom­ma­tion de viande.

Structure chi­mique de la vita­mine B12. Cette vita­mine est la plus com­plexe pré­sente dans l’a­li­men­ta­tion humaine.

La vitamine B12, à quoi ça sert ?

Cette vita­mine, aus­si appe­lée coba­la­mine, sert de co-fac­teur pour des enzymes. C’est-à-dire qu’elle aide une enzyme à accé­lé­rer une réac­tion chi­mique. Chez l’hu­main, par­mi les dizaines de mil­liers pré­sentes, seules deux enzymes, ont besoin de coba­la­mine pour fonc­tion­ner. Ces deux enzymes inter­viennent dans le méta­bo­lisme d’a­cides gras ou d’a­cides ami­nés (et indi­rec­te­ment de l’ADN).

Une co-enzyme est une molé­cule indis­pen­sable au fonc­tion­ne­ment de cer­taines enzymes. Elle est de petite taille com­pa­rée à celle de l’enzyme. Une co-enzyme est une molé­cule orga­nique (non pro­téique). Elle peut res­ter liée à l’enzyme de façon indis­so­ciable (grou­pe­ment pros­thé­tique) ou être dis­so­ciée après la réac­tion (cosub­strat). Une co-enzyme n’a pas d’ef­fet en absence d’une enzyme.

Comment obtenir de la vitamine B12 ?

La vita­mine B12 est pro­duite uni­que­ment par des micro-orga­nismes (bac­té­ries et archés) [3]. De faibles concen­tra­tions de vita­mine B12 sont trou­vées dans des cham­pi­gnons ou des algues ce qui peut s’ex­pli­quer par la crois­sance de bac­té­ries à leur sur­face. Des micro-orga­nismes pro­dui­sant la vita­mine B12 se trouvent aus­si dans le sys­tème diges­tif d’a­ni­maux. Cela per­met à ces ani­maux d’acquérir la vita­mine B12 néces­saire à leur crois­sance.

Chez l’hu­main, la pro­duc­tion de vita­mine B12 par les bac­té­ries de l’in­tes­tin (micro­biome intes­ti­nal) n’est pas suf­fi­sante pour sub­ve­nir aux besoins jour­na­liers [4]. L’absorption de cette vita­mine a lieu au niveau de l’in­tes­tin grêle (iléon) tan­dis que la pro­duc­tion bac­té­rienne est réa­li­sée plus loin au niveau du gros intes­tin (colon). La pro­duc­tion ayant lieu en aval de la zone d’ab­sorp­tion, elle est inuti­li­sable.

L’absorption de la vita­mine B12 a lieu dans l’i­léon tan­dis que sa pro­duc­tion a lieu dans le colon. Cette dif­fé­rence de loca­li­sa­tion n’est pas spé­ci­fique aux humains. Chez cer­tains ani­maux her­bi­vores, la copro­pha­gie (inges­tion de matière fécale) per­met de récu­pé­rer la vita­mine B12 qui n’a pas pu être absor­bée.

De plus, les bac­té­ries pré­sentes dans l’in­tes­tin uti­lisent aus­si cette molé­cule pour leur crois­sance. En pro­cé­dant ain­si, elles modi­fient la vita­mine B12 pour for­mer des ana­logues qui sont adap­tés à leurs besoins. Les ana­logues de la vita­mine B12 ain­si pro­duits ne sont pas assi­mi­lables par les humains.

La prin­ci­pale source de vita­mine B12 chez les humains vient donc de l’a­li­men­ta­tion que ce soit par de la viande ou des plats fer­men­tés [5].

Vitamine B12 et la santé humaine

L’organisation des nations unies pour l’a­li­men­ta­tion et l’a­gri­cul­ture recom­mande une consom­ma­tion jour­na­lière de 0,000 002 4 g (soit 2,4 µg) chez les adultes [6]. En des­sous de cette dose, des carences sont pos­sibles et peuvent conduire à des troubles neu­ro­lo­giques et des ané­mies. Cette carence peut avoir des effets sur le corps humain même si les symp­tômes ne sont pas visibles.

Les per­sonnes ayant un régime végé­ta­rien /​ végé­ta­lien ne sont pas les seules à ris­quer une carence en vita­mine B12 [2]. En plus d’un défi­cit ali­men­taire, la carence peut être due à une mau­vaise absorp­tion, une infec­tion bac­té­rienne par Helicobacter pylo­ri, l’u­ti­li­sa­tion de médi­ca­ments anti-acides pour l’es­to­mac ou des fac­teurs géné­tiques. Les femmes enceintes et les per­sonnes âgées [5] sont aus­si plus sus­cep­tibles d’a­voir une carence en vita­mine B12.

Pour lut­ter contre cette carence, de la vita­mine B12 est ajou­tée dans cer­tains pro­duits ali­men­taires ou d’hy­giène (den­ti­frice). Des com­plé­ments ali­men­taires avec de la vita­mine B12 existent aus­si. Mais pour obte­nir ces pro­duits, il faut tout d’a­bord pro­duire la vita­mine. Pour cela, la vita­mine B12 peut être syn­thé­ti­sée en labo­ra­toire de façon chi­mique mais cette méthode est longue et coû­teuse [3].

La pro­duc­tion de vita­mine B12 par des bac­té­ries, en fer­men­teur, est plus ren­table. Une équipe de recherche bré­si­lienne a tes­té une nou­velle méthode de culture pour pro­duire de la vita­mine B12 via des bac­té­ries. Pour cela, ils uti­lisent un déchet indus­triel pour assu­rer la crois­sance des bac­té­ries.

Production bactérienne de la vitamine B12

Les bac­té­ries sont capables de pro­duire la vita­mine B12 via deux méthodes dif­fé­rentes. En pré­sence d’oxy­gène (aéro­bie), les gènes cob sont uti­li­sés pour la pro­duc­tion de cette vita­mine tan­dis qu’en absence d’oxy­gène (anaé­ro­bie) ce sont les gènes cib qui inter­viennent [7]. Dans les deux cas, les bac­té­ries uti­lisent les nutri­ments pré­sents dans leur envi­ron­ne­ment pour pro­duire la vita­mine B12. Ce pro­cé­dé peut être appli­qué à l’é­chelle indus­trielle, en culti­vant ces bac­té­ries dans des fer­men­teurs pou­vant aller de quelques litres à plu­sieurs dizaines de mil­liers.

Les micro-orga­nismes sont culti­vés dans des fer­men­teurs (grandes cuves) pour pro­duire la vita­mine B12. Durant le pro­cé­dé, il y a une crois­sance bac­té­rienne et la pro­duc­tion de molé­cules d’in­té­rêts. Une fois la culture ter­mi­née, la vita­mine B12 doit être puri­fiée des autres com­po­sants puis concen­trée. Elle peut ensuite être uti­li­sée par les indus­triels pour l’a­jou­ter à des ali­ments ou à des com­plé­ments ali­men­taires.

La sélec­tion des micro-orga­nismes est une étape impor­tante pour la pro­duc­tion indus­trielle. Il faut que le micro-orga­nisme pro­duise la vita­mine B12 de façon impor­tante et qu’il soit non patho­gène pour l’hu­main. Plusieurs bac­té­ries sont cou­ram­ment uti­li­sées pour la pro­duc­tion de vita­mine B12, on retrouve par exemple Bacillus mega­te­rium, Pseudomonas deni­tri­fi­cans ou Propionibacterium freu­den­rei­chii.

La bac­té­rie Propionibacterium freu­den­rei­chii est celle uti­li­sée dans cette étude. Comme les autres bac­té­ries uti­li­sées pour la pro­duc­tion de vita­mine B12, elle est non patho­gène pour l’hu­main. Elle est connue pour son rôle dans la for­ma­tion des trous de l’emmental [8]. Elle est éga­le­ment uti­li­sée pour la pré­pa­ra­tion de plats fer­men­tés, comme le kim­chi (plat coréen à base de légumes fer­men­tés), qui sont riches en vita­mine B12 [9]. Propionibacterium freu­den­rei­chii est capable de se déve­lop­per dans l’in­tes­tin humain et d’y avoir un impact posi­tif pour la san­té (bac­té­rie pro­bio­tique).

Propionibacterium freu­den­rei­chii a été iso­lée en 1906 dans un fro­mage (emmen­tal). En for­mant du CO2 dans la pâte pres­sée du fro­mage, elle conduit à l’ap­pa­ri­tion des trous de l’emmental.

Un milieu de culture issu d’un déchet industriel

En plus de choi­sir la bac­té­rie à uti­li­ser pour la pro­duc­tion de vita­mine B12, il faut éga­le­ment défi­nir un milieu de culture. Celui-ci apporte les nutri­ments néces­saires à la crois­sance bac­té­rienne. Dans cette étude, les scien­ti­fiques se sont inté­res­sés à ren­ta­bi­li­ser un sous-pro­duit indus­triel en l’u­ti­li­sant pour la pré­pa­ra­tion d’un milieu de culture per­met­tant la crois­sance bac­té­rienne.

La pro­duc­tion de concen­tré pro­téique de soja conduit à la for­ma­tion d’un effluent acide, riche en matière orga­nique, qui doit être trai­té avant d’être reje­té dans l’en­vi­ron­ne­ment [10]. Cet effluent a peu de valeurs pour les indus­triels qui pro­duisent du concen­tré pro­téique de soja mais il peut s’a­vé­rer inté­res­sant dans d’autres domaines. En effet, il pos­sède des nutri­ments néces­saires à la crois­sance bac­té­rienne. Des scien­ti­fiques s’é­taient déjà inté­res­sés à ces effluents pour la pro­duc­tion de milieux de cultures mais ils n’a­vaient jamais été uti­li­sés pour la pro­duc­tion de vita­mine B12.

Lors de la pro­duc­tion de concen­tré pro­téique de soja, un effluent acide est obte­nu lors de la pré­ci­pi­ta­tion des pro­téines. Cet effluent est un sous-pro­duit qui a peu de valeur com­pa­ré au concen­tré pro­téique de soja (le pro­duit prin­ci­pal).

Dans le cadre de cette étude, l’ef­fluent a été don­né par une usine. Une ana­lyse chi­mique de cet effluent indique qu’il est riche en sucres, en pro­téines ain­si qu’en miné­raux. Par contre celui-ci ne contient pas de cobalt qui inter­vient dans la syn­thèse de la vita­mine B12. En absence de cobalt, aucune pro­duc­tion de vita­mine B12 n’est obser­vée. Du cobalt est donc ajou­té dans le milieu de culture pour per­mettre la pro­duc­tion de cette vita­mine.

L’atome de cobalt, pré­sent dans la vita­mine B12, peut accep­ter dif­fé­rents ligands ce qui conduit à la for­ma­tion d’a­na­logues.

Résultats de l’étude

La com­po­si­tion du milieu de culture est opti­mi­sée en tes­tant l’a­jout de plu­sieurs sub­stances : extraits de levure, pro­téines de caséines, inter­mé­diaire méta­bo­lique néces­saire à la syn­thèse de la vita­mine B12, … Une autre modi­fi­ca­tion consiste à remon­ter le pH acide pour qu’il soit neutre. Cette étape d’op­ti­mi­sa­tion per­met d’aug­men­ter la pro­duc­tion de vita­mine B12.

Durant la crois­sance bac­té­rienne, il y a pro­duc­tion de la vita­mine B12 à l’in­té­rieur des bac­té­ries. Lorsque la crois­sance est ache­vée, les bac­té­ries sont récu­pé­rées puis lysées pour récu­pé­rer la vita­mine B12. Les résul­tats de cette étude indiquent la quan­ti­té de vita­mine B12 com­pa­rée à celle de bac­té­rie. Après opti­mi­sa­tion du trai­te­ment, il y a pro­duc­tion de 0,6 mg de vita­mine B12 par gramme de cel­lules.

Profil de crois­sance bac­té­rienne et pro­duc­tion de vita­mine B12. Ici la bio­masse cor­res­pond à la quan­ti­té de bac­té­ries pré­sentes dans le fer­men­teur. La culture est divi­sée en deux étapes : 72 h en anaé­ro­biose (absence d’oxy­gène) puis 96 h en micro-aéro­phi­lie (faible concen­tra­tion d’oxy­gène). La pro­duc­tion de vita­mine B12 est détec­table à par­tir de 72 h de culture puis maxi­male à 144h.

Perspectives de l’étude

Cette étude décrit un nou­veau pro­to­cole pour pro­duire de la vita­mine B12. Elle per­met éga­le­ment de mettre en valeur un sous-pro­duit de la pro­duc­tion de concen­tré pro­téique de soja. L’avantage est que ce sub­strat est dis­po­nible en grande quan­ti­té et à faible coût puis­qu’il est consi­dé­ré comme un déchet par les indus­triels.

Référence de l’étude

Assis, D. A., Matte, C., Aschidamini, B., Rodrigues, E., & Záchia Ayub, M. A. (2020). Biosynthesis of vita­min B12 by Propionibacterium freu­den­rei­chii sub­sp. sher­ma­nii ATCC 13673 using liquid acid pro­tein resi­due of soy­bean as culture medium. Biotechnology Progress. doi:10.1002/btpr.3011 (lien)


Bibliographie com­plé­men­taire

[1] Dinu, M., Abbate, R., Gensini, G. F., Casini, A., & Sofi, F. (2016). Vegetarian, vegan diets and mul­tiple health out­comes : A sys­te­ma­tic review with meta-ana­ly­sis of obser­va­tio­nal stu­dies. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 57(17), 36403649. doi:10.1080/10408398.2016.1138447 (lien)

[2] Rizzo, G., Laganà, A., Rapisarda, A., La Ferrera, G., Buscema, M., Rossetti, P., Nigro, A., Muscia, V., Valenti, G., Sapia, F., Sarpietro, G., Zigarelli, M., Vitale, S.G. (2016). Vitamin B12 among vege­ta­rians : Status, assess­ment and sup­ple­men­ta­tion. Nutrients, 8(12), 767. doi:10.3390/nu8120767 (lien)

[3] Pereira, J., Simões, M., & Silva, J. L. (2019). Microalgal assi­mi­la­tion of vita­min B12 toward the pro­duc­tion of a super­food. Journal of Food Biochemistry, e12911. doi:10.1111/jfbc.12911 (lien)

[4] Degnan, P. H., Taga, M. E., & Goodman, A. L. (2014). Vitamin B12 as a modu­la­tor of gut micro­bial eco­lo­gy. Cell Metabolism, 20(5), 769778. doi:10.1016/j.cmet.2014.10.002 (lien)

[5] Kwak, C. S., Lee, M. S., Oh, S. I., & Park, S. C. (2010). Discovery of novel sources of vita­min B12 in tra­di­tio­nal Korean foods from nutri­tio­nal sur­veys of cen­te­na­rians. Current Gerontology and Geriatrics Research, 2010, 111. doi:10.1155/2010/374897 (lien)

[6] World Health Organization, Food and Agricultural Organization of the United Nations (2004), Vitamin and mine­ral requi­re­ments in human nutri­tion, Second edi­tion, 341 pages, ISBN : 92 4 154612 3 (lien)

[7] Fang, H., Kang, J., & Zhang, D. (2017). Microbial pro­duc­tion of vita­min B12 : a review and future pers­pec­tives. Microbial Cell Factories, 16(1). doi:10.1186/s12934-0170631‑y (lien)

[8] Thierry, A., Deutsch, S.-M., Falentin, H., Dalmasso, M., Cousin, F. J., & Jan, G. (2011). New insights into phy­sio­lo­gy and meta­bo­lism of Propionibacterium freu­den­rei­chii. International Journal of Food Microbiology, 149(1), 1927. doi:10.1016/j.ijfoodmicro.2011.04.026 (lien)

[9] Ro, S. L., Burn, M. W., & Sandine, W. E. (1979). Vitamin B12 and ascor­bic acid in kim­chi ino­cu­la­ted with Propionibacterium freu­den­rei­ch­ji ss. sher­ma­nii. Journal of Food Science, 44(3), 873877. doi:10.1111/j.13652621.1979.tb08525.x (lien)

[10] Ohren, J. A. (1981). Process and pro­duct cha­rac­te­ris­tics for soya concen­trates and iso­lates. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 58(3Part2), 333335. doi:10.1007/bf02582371 (lien)

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