1/ La biomasse

En biotechnologie, la bioluminescence a permis le développement de l’ATPmétrie. En effet, la luciférase est également capable de réagir avec l’adénosine triphosphate (ou ATP). Elle permet donc de quantifier la biomasse (masse totale de toutes les espèces vivantes présentes en un milieu naturel donné à un moment donné) dans un échantillon grâce à un appareil appelé luminomètre qui mesure l'intensité lumineuse.

Quantification de la biomasse

Quantifier la biomasse permet de savoir si un produit alimentaire est contaminé, et donc, apte à la consommation. Cette méthode à tendance à se démocratiser car elle est plus rapide et plus simple que d’autres méthodes comme le contrôle microbiologique rapide. De plus, elle permet de réagir rapidement en cas de contamination du produit par des bactéries ou des microbes et donc d’adapter le milieu de culture ou la façon de cultiver pour pallier au problème de contamination.
Cette méthode est utilisée dans le domaine de l’agro-alimentaire, notamment pour le conditionnement du jus de fruit ou de la viande.

A l’aide de la bioluminescence, il est également possible de déterminer la flore du lait cru ou de détecter la contamination du lait pasteurisé.
Elle permet de détecter les cellules somatiques qui indiquent une infection du pis de la vache : dans le lait, un niveau élevé de cellules somatiques indique la présence de leucocytes nécessaires pour combattre l’infection. La bioluminescence permet donc de détecter des bactéries dangereuses pour l’homme.

Domaines d'application et utilisations :

Agro-alimentaire - Contrôle de stérilité des aliments, des emballages
- Suivi de l'hygiène
- Suivi de fermentation
- Contrôle des procédés...
Environnement - Traitements des eaux résiduaires
- Suivi de décharge
- évaluation de l'activité microbienne
- Tests de Toxicité
Divers - Stérilité de produits cosmétiques
- Contrôle de la dégradation des textiles par des agents microbiens
- armes bactériologiques

 

Exemple : Test de toxicité

Les bactéries luminescentes utilisées sont des Photobacterium phosphoreum et Vibrio harveyi, pouvant être obtenues auprès de la Collection de souches bactériennes de l’Institut Pasteur (souches 102511 T et 103192 T), auprès d’autres fournisseurs comme le Belgian Coordinated Collection of Microorganisms (BCCM)ou d’autres collections mondiales de micro-organismes. Il s’agit de bactéries non pathogènes pour l’homme utilisées dans plusieurs pays au niveau scolaire notamment pour l’étude de la bioluminescence.

cultures photographiées dans une chambre noire Photobacterium phosphoreum (expo 1h) cultures photographiées dans une chambre noire  Vibrio harveyi (expo 2h)
Photobacterium phosphoreum (expo 1h)              Vibrio harveyi (expo 2h)

Les bactéries sont utilisées dans un test biologique comme indicateurs de toxicité. Les substances toxiques susceptibles d’être présentes dans un milieu (métaux lourds notamment) induisent une diminution de l’intensité lumineuse des bactéries. La mesure de l’émission lumineuse en présence de divers échantillons permet ainsi d’évaluer leur toxicité globale et de rechercher éventuellement les substances responsables.

Détection de toxines, plus le nombre de toxines est élevé, plus l'intensité lumineuse est faible

 

Exemple : Dosage de l'adénosine triphosphate (ATP)

L'adénosine tri-phosphate, découverte en 1929, est un intermédiaire énergétique majeur et obligatoire de très nombreuses réactions du métabolisme cellulaire. Son rôle principal est de fournir l'énergie nécessaire aux réactions chimiques des cellules (elle stocke et transporte l'énergie). C’est la rupture des liaisons entre les différents groupes phosphate qui est responsable de la libération d'énergie.

molécule d'ATP
Molécule d'ATP avec ses liasons riches en énergie, reliant les groupements phosphate entre eux.

Principe :

Toute cellule vivante produit et consomme de l'ATP. Ce coenzyme est donc spécifique des milieux vivants : toute trace d'ATP est le témoin d'une trace de vie (cellules vivantes ou ayant vécu, car l'ATP n'est pas détruit en totalité à la mort de la cellule). 
On peut donc dès maintenant entrevoir l'utilité et l'importance du dosage de l'ATP : détection d'une contamination bactérienne, études de mécanismes et de réactions physiologiques où il intervient, etc. Il existe plusieurs méthodes de dosage, dont celles mettant en jeu des réactions de bioluminescence.


Dosage de l'ATP par bioluminescence :

Pour effectuer ce dosage, on mesure la lumière émise par la réaction enzymatique de bioluminescence utilisant la luciférine et la luciférase de luciole (réaction la plus connue et la plus étudiée), ainsi que de l’ATP. L’ATP intervient dans l'étape d’activation du complexe luciférase-luciférine, dont l’oxydation est à l'origine d'une émission lumineuse.


Courbe cinétique de l'intensité lumineuse

 

On obtient la courbe cinétique de la réaction luciférine-luciférase composée de trois phases principales : un temps de latence, une phase de croissance (consommation de l'ATP) et une phase de décroissance (ATP étant réactif limitant) de l’intensité lumineuse.

La concentration de l’ATP influe sur les phases de croissance et de décroissance de la courbe de cinétique: l’intensité lumineuse Imax varie proportionnellement à la quantité d’ATP présente dans le milieu. Le dosage de l’ATP repose donc sur la mesure de l’intensité de l’émission lumineuse qui se produit dans un milieu mis en présence de luciférine et de luciférase de luciole.

Que ce soit en bioluminescence ou en chimiluminescence, la mesure de la lumière émise par une réaction chimique est pratique à cause de cette relation de proportionnalité directe qui existe entre le quantum de lumière émise et la quantité de réactif limitant ; pour cela, l’ATP doit absolument être le réactif limitant dans toutes les expériences de dosage.

 


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