Directrice: Pr. Sylvie DESOBRY-BANON / sylvie.desobry@univ-lorraine.fr
Le Laboratoire d’Ingénierie des Biomolécules (LIBio) est une Unité de Recherche de l’Université de Lorraine (UR 4367) hébergée au sein de l’Ecole Nationale Supérieure d’Agronomie et des Industries Alimentaires (ENSAIA), à Vandœuvre-lès-Nancy. Le LIBio célèbrera ses 40 années d’existence durant le contrat quinquennal 2024-2028 ainsi que 20 années de certification ISO 9001.
Le LIBio est membre du pôle scientifique Agronomie - Agroalimentaire - Forêt (A2F) et ses activités sont rattachées à l’Ecole Doctorale (ED) Science et Ingénierie des Ressources Naturelles (SiReNa).
Le LIBio est l’un des coordinateurs et est un acteur majeur du projet « Bioeconomy, Biomolecules Science and Engineering » (B2SE - Projet interdisciplinaire « Lorraine Université d’excellence (LUE) » 2024-2033) et de la fédération « The One Bioeconomy » qui décrivent les trajectoires de la recherche collaborative académique et industrielle et de formation au niveau régional, national et européen. Le laboratoire est également fortement impliqué dans les activités de recherche de l’Institut Carnot ICEEL.
Le LIBio est composé de 50 personnes, dont 19 enseignants-chercheurs, 3 IR, 9 autres personnels BIATSS, de post-docs, de doctorants et des stagiaires. Il est composé d’une seule équipe et possède un ensemble de compétences pour mener des recherches combinant des concepts et méthodes en physico-chimie, biochimie, microbiologie et génie des procédés.
Les activités du LIBio se positionnent sur la transformation alimentaire et non alimentaire des agro-ressources. L’approche scientifique commune est basée sur la maitrise et le pilotage des interactions entre constituants pour la formation de systèmes à fonctionnalités augmentées, dans une démarche parcimonieuse. Le terme « parcimonieuse » est choisi pour répondre à l’objectif de développement durable n°12 de l’Organisation des Nations Unies : « Consommation et production responsables par l’'innovation en matière de consommation et de production responsables de ressources, de biens et de matériaux ». Il implique de développer notre activité de recherche et d’innovation en intégrant la dimension de réduction de l’émission de CO2 au travers de pratiques durables associées au Pacte Vert de l'UE (réduction de la consommation d’énergie ; remplacement des matières premières non renouvelables ou néfastes pour l’environnement ; valorisation « zéro déchet » des agroressources, …).
Notre objectif scientifique est de piloter les interactions biotiques et abiotiques de systèmes biosourcés dans des environnements complexes afin d’en incrémenter les propriétés fonctionnelles. En lien avec le principe de parcimonie inscrit dans notre projet, nos approches tendent vers la création d’architectures à constituants biosourcés, à formulation simplifiée, à nombre d’atomes limités.
Les personnels de la recherche du LIBio forment une équipe unique pluridisciplinaire articulée en deux axes de recherche. L’objectif du premier axe vise à appréhender la complexité des interactions biotiques et abiotiques au sein des écosystèmes dans une stratégie d’innovation et de sécurisation sanitaire. L’approche holistique envisagée repose sur l’approfondissement des connaissances sur les interactions d’adhésion et de compétition entre constituants biotiques et abiotiques des systèmes laitiers. L’objectif est de maitriser ces interactions pour faire émerger des fonctionnalités augmentées au sein du produit destiné à être consommé. L’objectif principal du second axe est la vectorisation de biomolécules dans des systèmes colloïdaux, notamment à nombre d’atomes limités : la création de nanoliposomes actifs par la nature même de ses constituants phospholipidiques en est un exemple représentatif. La validation de ces systèmes repose sur la création d’environnements physiologiques contrôlés permettant in vitro la mise en évidence de la libération et de l’action des biomolécules actives.
Les travaux menés ces dernières années nous ont conduit à sélectionner 3 principaux systèmes d’étude ; (i) des liposomes, notamment des nanoliposomes, ; (ii) des matrices et micro/nano-capsules protéiques et polysaccharidiques, ; (iii) des communautés bactériennes plutôt que des cultures pures.
Objectifs scientifiques du LIBio : structuration de systèmes biosourcés complexes pour des fonctionnalités augmentées.
Axe de recherche 1 : Approche holistique pour l’ingénierie de matrices laitières à fonctionnalité augmentée
Responsable : Frédéric Borges, MDC HDR
Le laboratoire a développé une expertise reconnue en ingénierie de systèmes alimentaires laitiers. Les travaux du prochain contrat visent à appréhender la complexité des interactions biotiques et abiotiques au sein de ces écosystèmes dans un objectif d’innovation et de sécurisation sanitaire. L’approche holistique envisagée repose sur l’approfondissement des connaissances sur les interactions d’adhésion et de compétition entre constituants biotiques et abiotiques des systèmes laitiers. L’objectif est de potentialiser ces interactions afin de créer des fonctionnalités augmentées au sein du produit.
Les procédés de transformation du lait jouent un rôle central dans le renouvellement des interactions et dans la production de biomolécules d’intérêt. Les glycanes en sont un exemple de choix, puisqu’en interagissant avec les adhésines bactériennes, ils peuvent inhiber la colonisation intestinale par des bactéries pathogènes. Les glycanes sont les biomolécules d’intérêt que nous avons choisies comme modèle d’étude des interactions d’adhésion. Notre objectif est de formuler des ingrédients à haute valeur ajoutée dans lesquels les glycanes seront incorporés à des concentrations compatibles avec une activité antiadhésive. Pour cela, un criblage sera réalisé dans les produits et co-produits laitiers et un système de micropuce sera développé afin de permettre leur identification rapide. Un procédé de fractionnement permettra ensuite de les purifier avant de les incorporer à des concentrations suffisantes pour la formulation de matrices laitières complexes antiadhésives. L’ambition de cette action est de potentialiser les fonctionnalités de fractions mineures de matrices laitières en augmentant leur concentration au sein des formulations.
Axe de recherche 1 : Ingénierie de matrices laitières à fonctionnalité augmentée
La compétition microbienne est une interaction écologique mise en jeu dans le procédé de biopréservation pour limiter la présence de microorganismes indésirables. Nous souhaitons l’étudier dans les produits laitiers fermentés avec l’objectif de (1) mieux comprendre comment le microbiote du produit laitier agit sur la biopréservation et (2) déterminer s’il est possible de concevoir de nouveaux systèmes de biopréservation en amplifiant les propriétés protectrices du microbiote fromager. Ces deux aspects se basent sur les approches holistiques développées au laboratoire lors du dernier contrat quinquennal : le phénotypage à haut débit, la métagénomique, ainsi que des méthodes de manipulation et de valorisation de microbiotes d’origine laitière. L’ambition de cette action est de mieux maîtriser et favoriser l’expression de propriétés protectrices au sein de l’aliment et ainsi de contribuer à l’essor de technologies de rupture en lien avec la valorisation des microbiotes alimentaires.
La complexité des interactions biotiques et abiotiques au sein des écosystèmes laitiers régit la manière dont les matrices laitières se structurent au cours du procédé. Dans une approche transversale, des approches holistiques de modélisation seront utilisées afin d’établir le lien entre physico-chimie, structure et fonctionnalité des produits laitiers, dépendamment des conditions de procédés de transformation. Il s’agira de mieux comprendre les interactions biotiques en prenant en compte les multiples paramètres abiotiques de l’aliment par le déploiement de plans d’expériences réalisées à haut débit et l’exploitation de la méthodologie de surfaces de réponse. Des approches de rétroingénierie et de modélisation par optimisation multicritère seront employées pour décrire et prédire l’évolution des propriétés physico-chimiques et fonctionnelles des matrices laitières selon les conditions de procédé.
Axe de recherche 2 : Approche holistique pour l’ingénierie de vecteurs à fonctionnalité augmentée
Responsable : Jordane Jasniewski, MDC HDR
La mise en forme de principes actifs sous forme colloïdale est une stratégie de vectorisation permettant l’incorporation de biomolécules dans des matrices alimentaires ou cosmétiques pour leur protection, leur ciblage et leur relargage contrôlé vers un site d'action spécifique. Depuis les premiers liposomes, polysaccharides et protéines pour l’encapsulation des molécules actives hydrophobes et hydrophiles, les systèmes développés se sont complexifiés tant au niveau de leur composition, de leur structuration que des procédés d'élaboration.
La première approche développée aujourd’hui est d’encapsuler des molécules actives via des vecteurs lipidiques à double ou triple fonctionnalité afin : (1) d’explorer les nouvelles propriétés fonctionnelles apportées par le greffage de groupements spécifiques ajoutant par exemple la compétence d’adressage cellulaire au vecteur ou leur furtivité dans l’organisme ; (2) d’augmenter leur biodisponibilité ; et (3) d’étudier la libération des molécules actives dans un environnement physiologique contrôlé.
La seconde approche envisagée est de rationaliser la conception de particules colloïdales en privilégiant le contrôle des interactions entre les constituants du système (actif, substrat, milieu dispersant) pour produire des fonctionnalités augmentées des principes actifs (fonctionnalisation, amélioration des propriétés physico-chimiques, …). Dans ce contexte et en lien avec la stratégie de parcimonie dans laquelle s'engage le LIBio, les procédés ne nécessitant pas ou peu d'apport d'énergie mécanique pour atteindre l'échelle colloïdale seront mis en avant. La voie enzymatique en phase aqueuse sera privilégiée lorsqu'une modification de substrat sera nécessaire afin de lui conférer les propriétés requises. Dans cette optique, des études d'auto-assemblages colloïdaux spontanés de polysaccharides, de nanoprécipitation d'actifs tels que la curcumine en présence ou non de polysaccharides, de réticulation de coacervats sont engagées.
Axe de recherche 2 : Ingénierie de vecteurs à fonctionnalité augmentée
Une démarche de modélisation de la libération des biomolécules actives sera mise en œuvre par le développement d’un environnement 2D, puis 3D, comprenant les vecteurs étudiés et les cellules ciblées. Les travaux seront menés sur une plate-forme microfluidique, mise en place au laboratoire ces deux dernières années, afin de reproduire les conditions environnementales dynamiques auxquelles les vecteurs peuvent être soumis in vivo. Des puces microfluidiques seront produites sur la base de matrices hydrogels développées à partir de biopolymères purs ou assemblés sous forme de réseaux interpénétrés de polymères (RIP). Les lignées cellulaires (cellules intestinales, épithéliales, neuronales, etc.) seront intégrées dans ces biomatériaux de façon à reproduire in vitro les architectures tissulaires 3D cellularisées nécessaires à la modélisation de l’environnement physiologique étudié. Les conditions hydrodynamiques, physico-chimiques et biologiques, assurées par ces puces permettront de simuler les environnements physiologiques souhaités pour étudier le comportement des complexes vecteurs-molécules encapsulées au cours de leur cycle de vie. Cette approche nous permettra de comprendre les mécanismes de libération des molécules actives, d’étudier les possibles interactions entre les différentes structures du système étudié (matrice, cellules et vecteur) matrice-cellules, mais également d’adapter la formulation des vecteurs afin d’améliorer la biocompatibilité des complexes, d’optimiser la stratégie de libération contrôlée et la biodisponibilité des molécules encapsulées dans un environnement in vitro.