Molécules et cellules au travail ...

Le matériel biologique peut se trouver sous forme de molécules, d'organites, de fragments cellulaires ou de cellules. Il transforme un ou des substrats en un ou des produits d'intérêt . Il est mis en oeuvre dans des bioréacteurs (terme générique dérivé du vocabulaire du génie chimique désignant des récipients dans lesquels se déroulent une réaction (bio)chimique). Ce terme moderne de bioréacteur peut englober des termes anciens créés pour la mise en oeuvre de divers types de matériel biologique comme fermenteur (terme ancien), cytoculteur (terme plus récent).
Selon le type d'alimentation en substrat du bioréacteur, il faut distinguer :
* les bioréacteurs non alimentés en continu en substrat durant la transformation du ou des susbtrats : le substrat (solide ou liquide) est introduit au début de la réaction, en une seule fois : c'est donc un lot ("batch " en anglais) de substrat qui est traité ; on parle de fonctionnement discontinu ou batch ou de bioréacteur fonctionnant en batch ou de bioréacteur batch ;
* les bioréacteurs alimentés en continu en substrat : le substrat (en solution) est introduit tout au long de la réaction : on parle de fonctionnement continu ou de bioréacteur fonctionnant en continu ; ce type de fonctionnement suppose un alimentation en substrat et un soutirage du milieu (à un même débit, afin que le volume reste constant) ; les avantages d'un tel système sont évidents : la transformation du ou des substrats peut, en théorie, se poursuivre indéfiniment et l'appareillage est utilisé à plein temps (intérêt économique) ; en pratique, ce mode d'alimentation est utilisé durant des périodes plus ou moins longues ; les limitations à un long fonctionnement sont la modification, avec le temps, des caractéristiques du matériel biologique (entres autres : mutation de microorganismes, dénaturation donc inactivation des protéines, ...) et la nécessité de réaliser la maintenance de l'installation ;
* les bioréacteurs partiellement alimentés en : le substrat (en solution) est introduit tout au long de la réaction mais sans qu'il y ait soutirage du milieu : le volume augmente ; on parle de fonctionnement semi-continu ou de bioréacteur fonctionnant en semi-continu ou en batch alimenté ou fed batch ; ce type de fonctionnement suppose un arrêt de la réaction lorsque le volume atteint une certaine valeur (entre autre, risque de débordement ou impossibilité d'assurer une aération correcte, ....)

Les molécules utilisées sont essentiellement des protéines à activité catalytique (enzymes).
- Les enzymes peuvent être utilisés soit solubles (ensemble enzyme substrat en phase homogène), soit insolubilisés (ensemble enzyme (immobilisé) substrat en phase hétérogène) ; d'une manière générale, les enzymes solubles sont plus actifs et moins stables que les enzymes immobilisés ;
- en simplifiant, les enzymes sont utilisés dans des bioréacteurs batch (enzymes solubles) ou des bioréacteurs continus (bioréacteurs à lit fixe ou lit fluidisé) ;
- les exemples classiques d'enzymes utilisés à l'échelle industrielle sont la xylose isomérase (ex glucose isomérase isomérisant le glucose en fructose (isoglucose ou HFCS)), les L amino-acylases (production d'acides aminés), ...

Les exemples de mise en oeuvre d'organites et fragments cellulaires paraissent encore concerner plutôt la recherche et le développement.

Les cellules utilisées sont soit des microorganismes, soit des cellules d'eucaryotes supérieurs. Pour transformer leurs substrats, ces cellules ont besoin de conditions physico chimiques particulières : source de carbone (le plus souvent servant de source d'énergie), d'azote, de phosphore, de soufre et de facteurs de croissance. De plus, les exigences vis à vis de l'oxygène sont variables (sauf pour les anaérobies stricts). La résistance aux forces de cisaillement (liées, par exemple, à la pratique de l'agitation du milieu) est également variable. 
- Les microorganismes sont classiquement cultivés dans des fermenteurs ; les possibilités de synthèse sont très importantes (et largement augmentées par l'utilisation du génie génétique) ; les conditions physico-chimiques de développement ne sont pas trop exigeantes mais le maintien d'un niveau d'aération des cultures est souvent un facteur limitant (une culture en croissance a une consommation en oxygène maximale) ; par contre, la rigidité de la paroi bactérienne peut permettre la mise en oeuvre de forces de cisaillement permettant une agitation mécanique importante ; ainsi, a-t-il été possible de mettre en oeuvre des fermenteurs de plus d'un millier de m3 ; à grande échelle, les fermenteurs sont utilisés pour la production de produits associés (éthanol, acide lactique), partiellement (pénicilline) ou non associés (acide citrique) à la croissance ; la mise en oeuvre est encore discontinue mais lors du remplacement des fermenteurs industriels, des fermenteurs discontinus sont remplacés par des fermenteurs continus de plus faible volume (un dizième ?) ; à l'échelle laboratoire, les fermenteurs sont utilisés pour la mise au point de cultures à plus grande échelle ou pour la production de protéines exprimant des séquences clonées dans des cellules hôtes (préparation de protéines de fusion dont les propriétés fonctionnelles et structurales de la partie spécifique seront étudiées car correspondant à une séquence nucléotidique inconnue ou modifiée (mutagénèse dans le cadre de l'ingéniérie des protéines suivie d'une purification du contenu protéique brut obtenu par utilisation de la fixation du tag utilisé sur un support de chromatographie d'interactions biospécifiques) ;
- Les cellules eucaryotes supérieures sont cultivées dans des bioréacteurs particuliers nommés cytocylteurs ; ceux ci sont en général, à grande échelle, plus petits que les fermenteurs (maximum 150 - 200 L) et dotés de systèmes d'agitation spécifiques (agitation douce - hélices marines tournant à faible vitesse - adaptée à des cellules sans parois) dispositifs de contrôle et de régulation plus nombreux et plus sophistiqués dans la mesure où les conditions de culture des cellules sont plus exigeantes : milieux plus riches (glucose) et plus complexes (sérum de veau foetal comme facteur de croissance dont on cherche de plus en plus à se débarrasser pour le contrôle de la culture) ; les cultures sont discontinues ou continues et servent à la production de protéines à usage thérapeutique (anticorps monoclonaux ou protéines devant subir des modification post traductionnelles que seules des cellules eucaryotes supérieures peuvent réaliser).