Biosynthèse innovante, intelligence artificielle

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21851 (2022) Citer cet article

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La stratégie microbienne en nanotechnologie offre des avantages économiques, écologiques et de biosécurité par rapport aux protocoles chimiques et physiques traditionnels. La présente étude décrit un nouveau protocole de biosynthèse pour les nanoparticules de chitosane (CNP), employant un pionnier Streptomyces sp. souche NEAE-83, qui présentait un potentiel significatif pour la biosynthèse des CNP. Il a été identifié comme étant la souche NEAE-83 de Streptomyces microflavus sur la base de ses propriétés morphologiques et physiologiques ainsi que de la séquence d'ARNr 16S (numéro d'accès GenBank : MG384964). Les CNP ont été caractérisés par SEM, TEM, EDXS, potentiel zêta, FTIR, XRD, TGA et DSC. La biosynthèse des CNP a été maximisée à l'aide d'un modèle mathématique, conception composite centrale centrée sur le visage (CCFCD). Le rendement le plus élevé en CNP (9,41 mg/mL) a été obtenu lors de l'essai no. 27, en utilisant un pH initial de 5,5, 1 % de chitosane, 40 °C et une période d'incubation de 12 h. De manière innovante, le réseau neuronal artificiel (ANN) a été utilisé pour valider et prédire la biosynthèse des CNP sur la base des données d'essais du CCFCD. Malgré le degré de précision élevé des deux modèles, l’ANN était suprême dans la prédiction de la biosynthèse des CNP par rapport au CCFCD. ANN avait une efficacité de prédiction plus élevée et des valeurs d’erreur plus faibles (RMSE, MDA et SSE). Les CNP biosynthétisés par la souche NEAE-83 de Streptomyces microflavus ont montré une activité antibactérienne in vitro contre Pectobacterium carotovorum, responsable de la pourriture molle de la pomme de terre. Ces résultats suggèrent son application potentielle pour lutter contre les maladies destructrices de la pourriture molle de la pomme de terre. Il s’agit du premier rapport sur la biosynthèse de CNP utilisant une molécule nouvellement isolée ; Streptomyces microflavus souche NEAE-83 comme approche écologique et optimisation du processus de biosynthèse par l'intelligence artificielle.

Les actinomycètes comprennent un vaste groupe unique d'actinobactéries à Gram positif et aérobies, ayant une teneur élevée en GC dans le génome (69 à 73 %). Les actinomycètes produisent un substrat ramifié et un mycélium aérien qui se développe en chaînes de spores en formant des parois transversales dans les filaments aériens multinucléés. Ce groupe de bactéries est largement distribué dans le sol et présente de nombreux modèles de pigmentation1,2. En raison de leur capacité à produire de nombreux métabolites secondaires à valeur ajoutée et de leurs nombreuses applications dans les processus biologiques, les espèces de Streptomyces sont les plus importantes industriellement parmi les actinomycètes3,4,5. Une application émergente et prometteuse des actinomycètes est leur application dans la biosynthèse des nanoparticules1,6.

Ces dernières années, les nanoparticules ont attiré une attention considérable en raison de leurs propriétés fascinantes7. Par rapport aux matériaux en vrac, les nanoparticules ont une activité réactionnelle élevée en raison de leur rapport surface/volume plus élevé8. De manière générale, les nanoparticules peuvent être générées par des voies chimiques, physiques, mécaniques ou biologiques9.

Il existe des méthodes non biologiques qui fournissent des systèmes nanostructurés biocompatibles sans utiliser de matériaux nocifs ou coûteux, tels que le chitosane ou l'albumine avec du tripolyphosphate de sodium (TPP)10,11,12. Malgré cela, un certain nombre d'obstacles contribuent aux limites des méthodes non biologiques, notamment leur coût élevé, l'utilisation de pressions, d'énergie, de températures élevées, de composés dangereux et de grosses particules13. Les produits chimiques dangereux limitent l’utilisation des nanoparticules dans les domaines médicaux et cliniques. Il est donc urgent d’établir des méthodes alternatives respectueuses de l’environnement pour synthétiser des nanoparticules9. En outre, la synthèse microbienne de nanoparticules, écologique et économique, offre propreté, sécurité et rapidité. De plus, les capacités réductrices des métabolites microbiens peuvent facilement générer des nanoparticules monodispersées9.

Le chitosane est un dérivé désacétylé de la chitine, composé d'un polysaccharide linéaire de résidus liés (β1 → 4) de N-acétyl-2 amino-2-désoxy-d-glucose (glucosamine) et de 2-amino-2-désoxy-d -glucose (N-acétyl-glucosamine). Il est biodégradable, soluble dans un milieu acide aqueux via protonation d'amine primaire, et les groupes amino libres génèrent une charge positive sur ses chaînes polymères14,15.