Que sont les produits protéiques purifiés? Les types de produits protéiques purifiés La science - Comment fonctionnent les produits de protéines purifiées? Geler ou ne pas geler : Comment les cristaux de glace peuvent-ils gâcher votre nourriture? Utilisations des produits protéiques purifiés La biotechnologie et les produits protéiques purifiés Produits protéiques purifiés – Champs de recherche actuels Développement durable et produits protéiques purifiés Bibliographie

Que sont les produits protéiques purifiés?

Les produits protéiques purifiés sont des protéines qui ont été extraites de leur source, nettoyées de leurs impuretés et préservées jusqu'à leur utilisation. L'aquaculture a été la source d'une famille de produits protéiques purifiés, nommés protéines antigel. A l'état naturel, les protéines antigel permettent à certains poissons et autres organismes de survivre dans des environnements dont la température est inférieure au point de congélation de leur sang. Sans de telles protéines, ils mourraient de froid dans leurs habitats naturels glacials.

Depuis leur découverte dans les années 1960, ces protéines sont bien connues. Cependant, leurs applications potentielles dans des domaines tels que la science, l'industrie et la médecine n'ont été étudiées que récemment avec l'aide des outils et techniques apportés par la biotechnologie.

Les types de produits protéiques purifiés

Tous les organismes vivants produisent des protéines et, actuellement, la plupart de celles qui sont commercialisées proviennent de sources naturelles. Cependant, certaines protéines peuvent être produites en laboratoire, soit en cultivant des organismes qui en produisent, soit en les synthétisant directement. Même si la nature demeure le pourvoyeur le moins cher de protéines antigel, isoler ces dernières à partir de sources naturelles peut être une tâche longue et ardue, ce qui fait des protéines antigel synthétiques une option attrayante, d'autant plus que la capacité de les produire réduirait notre dépendance à l'égard de ressources naturelles limitées.

Puisque les poissons constituent la source la plus facilement accessible, ils sont utilisés pour fournir les protéines antigel actuellement commercialisées. Celles-ci se retrouvent dans des poissons de l'Arctique et de l'Antarctique, ainsi que dans des poissons d'eau froide tels que la limande-sole et la morue. Les protéines antigel provenant de poissons peuvent diminuer le point de congélation de 1 à 1,5 degrés Celsius.

On a aussi pu isoler des protéines antigel à partir de certains insectes et plantes, tels que certaines espèces de coléoptères, de papillons, de champignons, de bactéries et d'herbes. Les protéines antigel tirées de papillons et de coléoptères sont plus puissantes que celles provenant des poissons, assurant une résistance au gel à des températures allant jusqu'à 4 degrés sous le point normal de congélation. La protéine antigel la plus efficace qui ait été découverte était issue de la tordeuse des bourgeons de l'épinette, Choristoneura fumiferana; cette protéine peut abaisser le point de congélations de 6 degrés.

Les protéines antigel provenant de poissons peuvent être classées en deux catégories:

Les glycoprotéines - protéines antigel contenant des molécules de sucre en plus de leur contenu protéique.

Les non-glycoprotéines - protéines antigel ne contenant pas de molécules de sucre en plus de leur contenu protéique.

La science - Comment fonctionnent les produits de protéines purifiées?

Les protéines antigel préviennent la formation de cristaux de glace; de cette façon, elles semblent abaisser le point de congélation de l'eau. Ces protéines ont une affinité particulière pour les cristaux de glace et elles s'accumulent là ou ceux-ci sont sur le point de se former. Tandis que la température s'approche du point de congélation de l'eau, elles freinent les molécules d'eau qui tentent de se joindre au cristal de glace, retardant ainsi la croissance de celui-ci. Quand la température descend bien en dessous du point de congélation de l'eau, le seuil de résistance à la congélation sera à un moment franchi, et l'eau qui gèlera enfin formera de gros cristaux aciculaires.

Le mécanisme exact par lequel les protéines antigel empêchent la cristallisation de la glace est sujet à plusieurs théories, puisque les éléments de l'interaction moléculaire entrant en jeu sont trop petite pour pouvoir être observée par les moyens disponibles actuellement. Une des théories soutient que la structure des cristaux de glace est modifiée par les protéines antigel, tandis qu'une autre affirme que la surface des cristaux de glace se recouvre de protéines antigel.

Geler ou ne pas geler : Comment les cristaux de glace peuvent-ils gâcher votre nourriture?

Quand des aliments sont gelés, ils ne forment pas un seul gros cristal de glace; ils sont plutôt composés de plusieurs petits cristaux de glace qui se sont formés entre les molécules d'aliment. Si la température augmente et se rapproche du point de fusion de l'eau (zéro degré Celsius), de l'eau à l'état liquide se formera et s'infiltrera dans les aliments. Cela entraîne un changement dans la distribution des cristaux de glace parmi les molécules d'aliments, puisque les molécules d'eau liquide se joignent aux petits cristaux de glace et les font grossir. Les gros cristaux de glace peuvent endommager la nourriture, en changeant sa texture, en lui donnant un mauvais goft ou même en la gâchant.

Utilisations des produits protéiques purifiés

Il y a plusieurs utilisations potentielles des protéines antigel dans l'industrie alimentaire et dans les applications industrielles et médicales. Elles sont décrites brièvement ci-dessous:

Industrie alimentaire: En laboratoire, les protéines antigel sont utilisées pour produire certaines variétés transgéniques de tomates, de pommes de terre et de tabac pouvant résister davantage aux dégâts causés par le gel. Dans le futur, des protéines antigel pourraient Ltre ajoutées aux crèmes glacées et aux aliments surgelés afin de les protéger des brflures de congélation. Elles pourraient aussi être utilisées pour améliorer la qualité d'aliments surgelés en prévenant la formation de cristaux de glace, lesquels donnent aux aliments brflés par le froid leur texture rugueuse et leur mauvais goft caractéristiques. Incorporées à des aliments frais tels que certains légumes-feuille, les protéines antigel pourraient empêcher qu'ils ne deviennent mous dans le réfrigérateur.

Agriculture: Au Canada, le givre et le temps de gel ne causent pas uniquement des pertes de récoltes, mais entraînent aussi des dépenses pour les agriculteurs et les entreprises en termes de frais d'assurance. A l'avenir, les cultures transgéniques contenant des protéines antigel pourraient augmenter la tolérance des plantes au givre et au gel, les protégeant ainsi des dommages causés par les températures froides et allongeant possiblement leur saison de croissances. L'incorporation de telles protéines antigel à des plantes transgéniques est présentement à l'étude.

Aquaculture: Grâce au génie génétique, certaines espèces de poisson ne produisant pas naturellement de protéines antigel ont été amenées à en produire en tant que poissons transgéniques. Les transgènes de protéines antigel peuvent Ltre utilisés pour donner à des poissons ne possédant pas ce caractère antigel, tels que le saumon de l'Atlantique, une tolérance accrue aux températures froides. De plus, l'expression génétique des protéines antigel pourrait constituer la clé pour la création de poissons possédant une croissance accélérée. Il existe des séquences d'ADN, nommées promoteurs, qui règlent la fréquence à laquelle des gènes sont exprimés. Les séquences de type promoteur qui sont responsables du taux élevé d'expression génique des protéines antigel, chez les poissons qui en produisent, pourraient être utilisées pour stimuler l'expression des gènes responsables de contrôler la croissance des poissons. Ainsi, les séquences du promoteur du gène commandant la synthèse des protéines antigel sont étudiées pour une utilisation visant à produire des poissons ayant une capacité de croissance améliorée.

Médecine: Dans le futur, les protéines antigel pourraient être utilisées pour préserver des tissus sains et pour détruire ceux qui ne le sont pas. Des exemples d'applications médicales pour ces protéines sont donnés ci-dessous:

Cryopréservation – Des organes, du sang, du sperme et des embryons peuvent être conservés par congélation. Par contre, les cellules sont endommagées quand elles sont gelées puisque l'eau, les membranes et les composants moléculaires de la cellule prennent de l'expansion au moment du gel et se contractent au dégel, ce qui provoque une rupture. En prévenant la formation de cristal de glace à des températures près de celles du gel, les protéines antigel pourraient aider à empêcher les tissus et les produits sanguins d'être endommagés par l'action du gel et du dégel. Cependant, ce type d'application médicale doit être étudié davantage ce qui nécessitera plusieurs années d'études cliniques poussées et d'évaluation de l'innocuité du procédé avant de pouvoir l'utiliser à grande échelle.

Cryochirurgie – Grâce à la chirurgie par congélation, des tissus non sains peuvent être détruits et enlevés de l'organisme. Cependant, la congélation cryochirurgicale n'est pas une méthode parfaitement efficace pour enlever des tissus, puisque des cellules de la périphérie de la zone de tissu congelée peuvent parfois survivre. Les protéines antigel peuvent rendre la cryochirurgie plus efficace en permettant la destruction de tissus périphériques non sains. Bien qu'elles aident à prévenir la formation de cristaux de glace à des températures près du point de congélation, elles favorisent néanmoins la formation de cristaux de glace pointus, microscopiques et aciculaires si la température descend bien en dessous du point de congélation de l'eau. Ces cristaux aident à détruire complètement toutes les cellules congelées, incluant celles situées sur la périphérie de la région congelée du tissu. Donc, les protéines antigel pourraient potentiellement être utilisées pour enlever des cellules tumorales et d'autres tissus dangereux et non sains.

Cosmétique – Les protéines antigel pourraient être ajoutées à des crèmes en application topique pour fournir à la peau une protection contre des atteintes indésirables et des dommages causés par le froid, tels que les gelures.

La biotechnologie et les produits protéiques purifiés

La biotechnologie est utilisée dans la production ou la modification de protéines antigel. Grâce au génie génétique, des stocks de poissons transgéniques peuvent être créés, permettant ainsi la production de ces protéines à l'aide de poissons n'ayant pas le caractère antigel à l'état naturel. Les séquences du promoteur du gène codant pour ces protéines peuvent aussi être utilisées pour favoriser l'expression d'autres séquences géniques considérées utiles.

L'ingénierie des protéines est un autre outil servant à la mise au point ou à la modification de protéines antigel. Grâce à cette technologie, les protéines existantes peuvent être modifiées et améliorées; de nouvelles protéines peuvent aussi être conçues sur mesure. Des protéines antigel synthétiques ont déjà été mises au point à l'aide de l'ingénierie des protéines, mais elles ne sont pas prêtes à être utilisées pour des applications industrielles ou biomédicales. Un avantage important de la technologie de l'ingénierie des protéines réside dans le fait que la constitution génétique d'aucun organisme n'est touchée par ce type de biotechnologie.

Produits protéiques purifiés – Champs de recherche actuels

On a démontré que les protéines antigel ont une capacité naturelle à protéger les cellules de mammifères à des températures légèrement sous le point de congélation de leur sang. De telles caractéristiques ont mené la recherche vers la synthèse en laboratoire de protéines antigel et ont permis l'introduction de celles-ci dans des organismes transgéniques et leur utilisation dans la préservation des cellules et des tissus. Des exemples de champs de recherche actuels sont décrits brièvement ci-dessous:

Protéines antigel synthétiques ou transgéniques: Actuellement, les protéines antigel sont presque exclusivement issues de poissons, ce qui peut s'avérer une aventure cofteuse et pénible. Les chercheurs tentent de produire des protéines antigel synthétiques plus rentables. Une telle réalisation aiderait aussi à réduire notre dépendance en protéines antigel provenant d'une ressource en poissons limitée. Ils essaient également de savoir comment des gènes de protéines antigel peuvent être insérés et exprimés dans des plantes cultivées et d'autres organismes.

Amélioration des poissons: On mêne actuellement de la recherche sur la production de poissons ayant une meilleure capacité de croissance et d'autres caractères utiles. Cela peut être accompli en agissant sur des séquences du promoteur du gène codant pour les protéines antigel; ces séquences règlent la vitesse à laquelle les gènes de ces protéines sont exprimées. Si les promoteurs des gènes des protéines antigel sont modifiés génétiquement pour interagir avec les gènes régulant la croissance des poissons, ils pourraient être utilisés pour créer des poissons transgéniques ayant une croissance plus rapide, ce qui entraînerait des avantages économiques significatifs pour l'aquaculture commerciale. Grâce au génie génétique, des transgènes de protéines antigel peuvent aussi être insérés dans certaines espèces de poisson qui n'en produisent pas naturellement.

Comprendre les gènes et les protéines: On mêne actuellement de la recherche sur les protéines dans le but d'aider les scientifiques à comprendre le fonctionnement des séquences de gènes responsables de la production de protéines antigel, de la structure moléculaire des protéines antigel et de la régulation de l'activité de celles-ci.

Développement durable et produits protéiques purifiés

Des gains environnementaux et économiques peuvent être obtenus en utilisant les protéines antigel pour protéger les récoltes de produits agricoles et les stocks de poissons contre les conditions environnementales froides. Grâce aux protéines antigel, d'autres avantages économiques peuvent être à la portée du domaine de l'aquaculture par le biais de l'utilisation des séquences d'ADN en rapport avec ces protéines afin d'accélérer la croissance de poissons. De tels projets deviendraient plus durables des points de vue économique et environnemental au fur et à mesure que des méthodes plus efficaces et plus rentables de production de protéines antigel synthétiques seraient mises au point et que notre dépendance en protéines antigel provenant d'une ressource en poissons limitée serait moins importante. L'utilisation future de protéines antigel représente une option durable pour remplacer les méthodes traditionnelles de protection des cultures et des stocks de poissons.

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