Vers une méthode rapide de profilage chimique d'extraits issus de microalgues

Bien que les microalgues soient clairement identifiées comme une source de carbone renouvelable pertinente dans les domaines liés à l'énergie ou l'agroalimentaire, cette biomasse présente également un potentiel important pour le développement de produits à haute valeur ajoutée dans des domaines tels que les matériaux fonctionnels, la cosmétique ou encore l'industrie pharmaceutique.

21 juin 2019

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C’est l’espace chimique accessible après extraction/fractionnement/purification qui est la source d’innovation. Il apparait alors que l’identification des métabolites spécialisés biosynthétisés par les microalgues est un point stratégique pour imaginer le développement d’une filière de bioraffinerie soutenable d’un point de vue économique et environnemental.

C’est dans ce cadre qu’une méthode de déréplication * (Figure 1) a été utilisée pour le profilage chimique rapide d’extraits issus de micro-algues. Cette méthode appelée CaraMel (Caractérisation des Mélanges, Figure 2) développée à l’Institut de Chimie Moléculaire de Reims(UMR CNRS 7312, Université de Reims Champagne-Ardenne), vise à accélérer l’étape d’identification des composés constitutifs d’extraits de plantes (terrestres ou marines), de cultures cellulaires végétales ou de micro-organismes grâce à de nouvelles combinaisons i) d’outils chromatographiques (Chromatographie de Partage Centrifuge pour la génération d’une série de fractions chimiquement simplifiées), ii) analytiques (acquisition des données spectroscopique RMN 13C sur les fractions obtenues, alignement des données) et iii) statistiques (classification non supervisée de type classification hiérarchique ascendante), la proposition de structure chimique étant réalisée par interrogation d’une base de données développée au sein de l’équipe. Ces développements récents ont été appliqués pour répondre à des problématiques du secteur cosmétiqueet sont aujourd’hui utilisés dans le cadre du profilage chimique d’extraits de micro-algues utilisées dans le cadre du projet ALPO pour réaliser des matériaux biosourcés à partir de la biomasse microalgale. Cette approche originale suscite l’intérêt de plusieurs partenaires privés ou académiques. Enfin, une start-up (NatExplore, http://nat-explore.com/) dirigée par le Dr. Jane Hubert (maître de conférences à l’UMR 7312) a été créée et utilise quotidiennement ces résultats issus de la recherche académique.

Le profilage chimique par les techniques de résonance magnétique nucléaire est parfaitement complémenté par les analyses en spectrométrie de masse. Comme son nom l’indique, cette technique repose sur la détermination de la masse moléculaire des molécules inconnues, donnée spécifique par définition puisque caractéristique de la composition élémentaire des analytes. Par la suite, la structure primaire de la molécule, i.e. l’agencement des atomes entre eux, peut être déterminée par les méthodes de la spectrométrie de masse en tandem. L’association entre la spectrométrie de masse et la chromatographie en phase liquide représente alors une méthode structurale puissante permettant d’identifier des molécules en très faibles concentrations présentes dans des mélanges ou des extraits complexes.

La spectrométrie de masse est largement développée au sein du Département de Chimie de l’Université de Mons et il est tout naturel que les experts en RMN de l’URCA et en MS de l’UMONS travaillent de concert au sein du projet ALPO pour le « Chemical profiling » de la biomasse d’origine micro-algales.

*processus permettant d'identifier le plus tôt possible, dans un mélange complexe (extrait naturel brut), la présence de composés déjà décrits dans la littérature avant même leur isolement physique qui peut être long et coûteux

Prochaine étape

Les outils mis en place permettent actuellement d’analyser l’impact des opérations unitaires de fractionnement sur le profil chimique des extraits. Il est aujourd’hui admis que l’utilisation combinée des données spectrales issues de la RMN et de la masse constitue une plus-value importante dans l’étape de déréplication et de d’élucidation structurale de novo*. Le travail à venir consistera donc à collecter à l’UMons les données issues de la masse sur les extraits obtenus par extraction solide-liquide, extraction CO2 supercritique, chromatographie de partage centrifuge puis à développer des outils permettant de les combiner avec les données spectrales précédemment obtenues par RMN pour une caractérisation chimique optimale des extraits.

*J.-L. Wolfender J.-M. Nuzillard J. Van Der Hooft J._H. Renault, S. Bertrand, Accelerating Metabolite Identification in Natural Product Research: Toward an Ideal Combination of Liquid Chromatography–High-Resolution Tandem Mass Spectrometry and NMR Profiling, in Silico Databases, and Chemometrics. Anal. Chem. 2018, 91, 704-742.



Sources :

J. Hubert, J.-M. Nuzillard, J.-H. Renault, Dereplication strategies in natural product research: How many tools and methodologies behind the same concept?,

J. Hubert, J.-M. Nuzillard, S. Purson, M. Hamzaoui, N. Borie, R. Reynaud, and J.-H. Renault, Identification of natural metabolites in mixture: an original de-replication strategy based on 13C NMR chemical shift pattern recognition, Anal. Chem., 2014, 86, 2955-2962.

A. Scandolera, J. Hubert, A. Humeau, C. Lambert, A. De Bizemont, C. Winkel, A. Kaouas, J.-H. Renault, J.-M. Nuzillard, R. Reynaud, GABA and GABA-alanine from the Red Microalgae Rhodosorus marinus Exhibit a Significant Neuro-soothing Activity through Inhibition of Neuro-inflammation Mediators and Positive Regulation of TRPV1-related Skin Sensitization, Marine Drugs, 2018, 16(3):96, DOI: 10.3390/md16030096