PRODUITS

ACIDE ITACONIQUE (ITACONIC ACID)

CAS No. : 97-65-4
EC No. : 202-599-6

Synonyms:
2-Methylidenebutanedioic acid; 2-Methylenesuccinic acid; Methylenesuccinic acid[1]; 1-Propene-2-3-dicarboxylic acid; IA; Itaconic acid; 97-65-4; 2-Methylenesuccinic acid; METHYLENESUCCINIC ACID; Methylenebutanedioic acid; itaconate; Propylenedicarboxylic acid; 2-methylidenebutanedioic acid; Butanedioic acid, methylene-; 2-Propene-1,2-dicarboxylic acid; Succinic acid, methylene-; 2-methylenebutanedioic acid; Poly(itaconic acid); Itaconic acid polymers; Itaconic acid polymer; butanedioic acid, 2-methylene-; Methylenesuccinic acid polymers; Poly(2-methylenesuccinic acid); EINECS 202-599-6; MFCD00004260; 2-Methylene-Succinic Acid; Butanedioic acid, methylene-, homopolymer; CHEMBL359159; CHEBI:30838; NSC3357; Succinic acid, methylene- (8CI); Q4516562YH; Itaconic acid, 99+%; DSSTox_CID_6608; DSSTox_RID_78161; 2-methylenebutanedioate; DSSTox_GSID_26608; 25119-64-6; CAS-97-65-4; Methylenesuccinate; Methylenebutanedioate; ITACONIC ACID; Succinic acid, methylene-, polymers; 2-Methylenesuccinate; Methylensuccinic Acid; Propylenedicarboxylate; ACMC-1CFCS; Itaconic acid, >=99%; bmse000137; Probes1_000076; Probes2_000247; EC 202-599-6; 2-Methylenesuccinic acid #; NCIStruc1_001783; 2-Methylidenebutanedioic acid; 2-Methylenesuccinic acid; Methylenesuccinic acid[1]; 1-Propene-2-3-dicarboxylic acid; IA; Itaconic acid; 97-65-4; 2-Methylenesuccinic acid; METHYLENESUCCINIC ACID; Methylenebutanedioic acid; itaconate; Propylenedicarboxylic acid; 2-methylidenebutanedioic acid; Butanedioic acid, methylene-; 2-Propene-1,2-dicarboxylic acid; Succinic acid, methylene-; 2-methylenebutanedioic acid; Poly(itaconic acid); Itaconic acid polymers; Itaconic acid polymer; butanedioic acid, 2-methylene-; Methylenesuccinic acid polymers; Poly(2-methylenesuccinic acid); 2-methylene-butanedioic acid; NCIOpen2_004822; SCHEMBL21523; 2-Propene-1,2-dicarboxylate; DTXSID2026608; CTK3I6894; Itaconic acid, analytical standard; ZINC895261; LMFA01170063; Propylenedicarboxylic acid 97-65-4; s3095; STL163322; AKOS000118895; 2-Hydroxy-3-Naphthoyl-2-Naphthylamine; Butanedioic acid,ethylidene-,(E)-(9ci); Succinic acid, methylene-, polymers (8CI); 2-METHYLENE,1,4-BUTANEDIOIC ACID (ITACONIC ACID)

Acide Itaconique

L'acide itaconique, ou acide méthylidène succinique, est un composé organique. Cet acide dicarboxylique est un solide blanc soluble dans l'eau, l'éthanol et l'acétone. Historiquement, l'acide itaconique était obtenu par distillation de l'acide citrique, mais actuellement il est produit par fermentation. Le nom d'acide itaconique a été conçu comme un anagramme d'acide aconitique, un autre dérivé de l'acide citrique.

Production
Depuis les années 1960, il est produit industriellement par la fermentation d'hydrates de carbone tels que le glucose ou la mélasse à l'aide de champignons tels que Aspergillus itaconicus ou Aspergillus terreus.
Pour A. terreus, la voie itaconate est principalement élucidée. La voie généralement acceptée pour l'itaconate est la glycolyse, le cycle de l'acide tricarboxylique et une décarboxylation du cis-aconitate en itaconate via la cis-aconitate-décarboxylase.

Le champignon du charbon Ustilago maydis utilise une voie alternative. Le cis-aconitate est converti en trans-aconitate thermodynamiquement favorisé via l'aconitate-Δ-isomérase (Adi1). Le trans-aconitate est ensuite décarboxylé en itaconate par la trans-aconitate-décarboxylase (Tad1).
L'acide itaconique est également produit dans les cellules de la lignée des macrophages. Il a été montré que l'itaconate est un inhibiteur covalent de l'enzyme isocitrate lyase in vitro. En tant que tel, l'itaconate peut posséder des activités antibactériennes contre les bactéries exprimant l'isocitrate lyase (telles que Salmonella enterica et Mycobacterium tuberculosis).
Cependant, les cellules de la lignée des macrophages doivent «payer le prix» pour la fabrication de l'itaconate, et elles perdent la capacité d'effectuer une phosphorylation au niveau du substrat mitochondrial.

Synthèse en laboratoire
La distillation sèche de l'acide citrique donne de l'anhydride itaconique, qui subit une hydrolyse en acide itaconique.

Réactions
Lors du chauffage, l'anhydride itaconique s'isomérise en anhydride d'acide citraconique, qui peut être hydrolysé en acide citraconique (acide 2-méthylmaléique).
Étapes de la conversion de l'acide citrique en acide citraconique via les acides itaconique et aconitique.
L'hydrogénation partielle de l'acide itaconique sur le nickel de Raney donne l'acide 2-méthylsuccinique.
L'acide itaconique est principalement utilisé comme comonomère dans la production de latex d'acrylonitrile-butadiène-styrène et d'acrylate avec des applications dans l'industrie du papier et des revêtements architecturaux.

Propriétés et application de l'acide itaconique
L'acide itaconique est une poudre cristalline blanche ayant une propriété hygroscopique et une odeur spécifique. Son point de fusion est de 167 à 168 ° C et son point d'ébullition est de 268 ° C. La solubilité dans l'eau est de 83,1 g l − 1 et une solution (80 mg l − 1) d'acide itaconique dans l'eau pure a un pH de 2,0. La densité de l'acide itaconique est de 1,63 (20 ° C). Les valeurs de pKa de l'acide itaconique, ses deux étapes de dissociation, sont de 3,84 et 5,55 (25 ° C). Les constantes d'équilibre sont K1 = 1,4 × 10−4 et K2 = 3,6 × 10−6 (25 ° C).

L'acide itaconique est principalement utilisé dans l'industrie du plastique et de la peinture. C'est un acide dicarbonique insaturé, et peut facilement être incorporé dans des polymères et utilisé à une concentration de 1 à 5% (p / p) comme comonomère dans les polymères. Les esters méthyliques, éthyliques ou vinyliques polymérisés de l'acide itaconique sont utilisés comme plastiques, élastomères adhésifs et revêtements. Les copolymères styrène-butadiène contenant de l'acide itaconique donnent des résines de type caoutchouc d'excellente résistance et flexibilité et des revêtements imperméables à l'eau avec une bonne isolation électrique. D'autres domaines d'utilisation sont les fibres synthétiques, les treillis, les détergents et les nettoyants. D'autre part, plusieurs mono- et diesters d'acide itaconique partiellement substitué possèdent des activités anti-inflammatoires ou analgésiques, et un nouveau marché spécial s'est ouvert pour l'utilisation des domaines pharmaceutiques de l'acide itaconique. Une petite quantité d'acide itaconique est utilisée comme acidulant.

L'acide itaconique (acide 2-méthylènesuccinique, acide 1-propène-2–3-dicarboxylique) est un acide dicarboxylique insaturé faible (pKa = 3,83 et 5,41), découvert en 1837 comme produit de décomposition thermique de l'acide citrique. La présence de la double liaison conjuguée du groupement méthylène permet la polymérisation à la fois par addition et condensation. L'estérification des deux groupes carboxyliques avec différents comonomères est également possible (Kuenz et al., 2012). Ces diverses propriétés ont conduit à diverses applications dans les industries pharmaceutique, architecturale, du papier, de la peinture et médicale telles que les plastiques, les résines, les peintures, les fibres synthétiques, les plastifiants et les détergents. Récemment, les applications de l'acide itaconique ont pénétré les domaines dentaire, ophtalmique et d'administration de médicaments (Hajian et Yusoff, 2015). Les polymères d'acide itaconique pourraient même remplacer l'acide polyacrylique à base de pétrole, qui a un marché de plusieurs milliards de dollars (Saha et al., 2019). Il n'est pas surprenant que le département américain de l'Énergie ait classé l'acide itaconique comme l'un des 12 produits chimiques de base les plus prometteurs pour la bioéconomie en 2004 (Werpy et Petersen, 2004).

On sait peu de choses sur les raisons pour lesquelles les champignons produisent de l'itaconate. Comme les autres acides organiques, comme indiqué ci-dessus, l'acide itaconique pourrait également servir d'acidifiant de l'environnement et offrir ainsi un avantage sélectif pour A. terreus tolérant aux acides par rapport à d'autres micro-organismes. Cependant, l'acide itaconique possède également des propriétés inhibitrices claires: dans les macrophages de mammifères, une infection bactérienne provoque l'induction d'un gène codant pour une cis-aconitate décarboxylase, entraînant la formation d'acide itaconique qui inhibe le métabolisme bactérien dans le cadre de la réponse immunitaire. L'effet a été attribué à l'inhibition de la succinate déshydrogénase et de l'isocitrate lyase (McFadden et al., 1971), cette dernière étant une enzyme clé du cycle du glyoxylate, nécessaire à la survie des agents pathogènes à l'intérieur d'un hôte. À leur tour, quelques souches de ces bactéries ont évolué pour être capables de dégrader l'itaconate (Sasikaran et al., 2014). L'acide itaconique induit également un facteur de transcription essentiel pour la protection contre les stress oxydatifs et xénobiotiques et pour atténuer l'inflammation (Kobayashi et al., 2013; Bambouskova et al., 2018). La question de savoir si une fonction similaire de l'itaconate existe dans les champignons qui le produisent n'a pas encore été étudiée.

La voie de biosynthèse de l'acide itaconique ressemble à celle de l'acide citrique, ce dernier acide étant un précurseur direct du premier. La seule différence est que l'acide citrique d'A. Terreus est ensuite métabolisé via le cis-aconitate en itaconate par la cis-aconitate décarboxylase (Bonnarme et al., 1995). À cette fin, le cis-aconitate est transporté hors des mitochondries par un antiporteur spécifique en échange d'oxaloacétate (Li et al., 2011a, b). L'acide itaconique - formé lors de la décarboxylation du cis-aconitate - est finalement sécrété hors du mycélium par un transporteur de membrane cellulaire spécifique. Les gènes codant pour ces trois enzymes, et un quatrième codant pour un facteur de transcription, constituent le «cluster de gènes itaconate» dans le génome d'A. Terreus, alors que le cluster est notoirement absent chez A. niger. Bien que plusieurs producteurs d'itaconate aient été testés, le phytopathogène Basidiomycete Ustilago maydis (le champignon du charbon du maïs) - et en particulier son Ustilago cynodontis relatif à faible pH stable (Hosseinpour Tehrani et al., 2019b) - semble être le seul à avoir un chance de devenir un autre organisme de plateforme industrielle (Hosseinpour Tehrani et al., 2019a). Ustilago a développé une voie biochimique alternative pour synthétiser l'itaconate dans la mesure où le cis-aconitate est converti en trans-aconitate thermodynamiquement favorisé par l'aconitate-delta-isomérase. Le trans-aconitate est ensuite décarboxylé en itaconate par la trans-aconitate-décarboxylase.

Production d'acide itaconique par des procédés de fermentation
L'acide itaconique est produit par fermentation discontinue dans un processus largement similaire à celui de l'acide citrique. La source de carbone doit être sous une forme facilement métabolisable (sirop de glucose, mélasse et hydrolysats d'amidon brut) et diluée à environ 10% en poids. La limitation du phosphate est nécessaire pour la restriction de croissance. Certains métaux traces doivent également être en quantités limitées et ceci est généralement réalisé en traitant le milieu avec de l'hexacyanoferratl ou en ajoutant du cuivre. Le pH est maintenu entre 2,8 et 3,2. Des pH plus bas favorisent la formation de sous-produits. Des rendements de 50 à 60% du rendement théorique sont obtenus en 8 à 10 jours [5].

Pendant de nombreuses années, il semble y avoir presque aucun intérêt de recherche pour la production d'acide itaconique et le procédé est resté inchangé depuis son introduction. La situation est différente aujourd'hui. L'acide itaconique est répertorié par le Département américain de l'énergie (DOE) comme l'un des 12 éléments constitutifs présentant le potentiel le plus élevé de production par biotechnologie industrielle [11]. Sa faible production actuelle limite ses utilisations. Les stratégies d'ingénierie métabolique, en tant qu'approche pour l'amélioration du rendement, n'ont pas encore été appliquées avec A. terreus, car elles étaient limitées par la mauvaise connaissance de la génétique de la biosynthèse de l'acide itaconique. Récemment, cependant, trois gènes - cruciaux dans la production d'acide itaconique par A. terreus - ont été identifiés par des chercheurs de Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO), aux Pays-Bas [15]. Outre les nouvelles connaissances sur la génétique de la biosynthèse, le développement de nouvelles technologies de fermentation et un contrôle plus sophistiqué des bioprocédés a conduit à un regain d'intérêt pour l'amélioration de la production d'acide itaconique. De nouvelles stratégies de fed-batch et des processus continus utilisant des cultures immobilisées sont en cours de développement et d'étude.

L'acide itaconique est un acide dicarboxylique, qui est utilisé dans l'industrie comme précurseur des polymères utilisés dans les plastiques, les adhésifs et les revêtements. De nouvelles utilisations de polymères dérivés de l'acide itaconique sont actuellement à l'étude. La production d'acide itaconique pour 2001 était estimée à 15 000 tonnes. Il y a un regain d'intérêt pour ce produit chimique alors que l'industrie recherche des substituts des produits chimiques dérivés du pétrole. La quasi-totalité de l'acide itaconique produit l'est par fermentation par des souches spécifiques d'A. Terreus.

Le fait que différentes souches d'Aspergillus et plus généralement de champignons puissent détourner les voies métaboliques vers la surproduction et la sécrétion de produits chimiques utiles, couplé au fait que ces organismes peuvent se développer sur des résidus de processus tels que la production de sucre et d'éthanol, ouvre la possibilité de l'ingénierie voies pour produire des produits chimiques de grande valeur grâce à des procédures «vertes», peu polluantes et éliminant les déchets.

Production d'acide itaconique
L'acide itaconique est un exemple d'acide insaturé di-carbonique. Ces acides sont utilisés comme éléments constitutifs d'un grand nombre de composés, tels que les résines, les peintures, les plastiques et les fibres synthétiques (plastique acrylique, superabsorbants et agents anti-tartre) [67]. Le cis-aconitate intermédiaire CAC est traité enzymatiquement par la cis-aconitate dehycarboxylase (CadA) pour produire de l'acide itaconique [68]. A l'échelle industrielle, l'organisme le plus exploré pour la production fermentaire d'acide itaconique est Aspergillus terrus. La voie de biosynthèse de l'acide itaconique est comme la biosynthèse du citrate, où le flux du CAC est utilisé dans la conversion catalytique du cis-aconitate en acide itaconique. Ainsi, le citrate est synthétisé à partir de l'oxaloacétate et de l'acétyl CoA, tandis que l'oxaloacétate est synthétisé à partir du pyruvate par anaplérose, qui part du pyruvate qui est le produit final de la glycolyse (Fig. 13.17).

L'acide itaconique (acide méthylène succinique, C5H6O4) (Figure 17) est une poudre hygroscopique cristalline incolore blanche soluble dans l'eau, l'éthanol et l'acétone. C'est un acide diprotique insaturé, qui tire ses propriétés chimiques uniques de la conjugaison de l'un de ses deux groupes acide carboxylique avec son groupe méthylène.
L'acide itaconique a été découvert par Baup en 1837 en tant que produit de la distillation pyrolytique de l'acide citrique. Le nom itaconic a été conçu comme un anagramme d'aconitique.

L'acide itaconique se forme lors de la fermentation de certains sucres. En 1929, Kinoshita a d'abord montré que l'acide était un produit métabolique d'Aspergillus itaconicus. Un dérivé d'acide itaconique (acide trans-phénylitaconique) a été isolé à partir d'une autre source naturelle (Artemisia argyi).
La voie de biosynthèse de l'acide itaconique à partir du glucose est similaire à celle de l'acide citrique, qui se produit via la voie glycolytique et la formation anaplérotique d'oxaloacétate par fixation du CO2 et via le cycle TCA (Figure 2). L'acide itaconique est formé par l'enzyme cytosolique aconitate décarboxylase à partir de l'acide cis-aconitique. Une autre voie de biosynthèse du pyruvate à l'acide citramalique, à l'acide citraconique et à l'acide itartrique conduit également à l'acide itaconique (figure 18).
Contrairement à plusieurs autres acides organiques (par exemple, l'acide citrique, isocitrique, lactique, fumarique et l-malique), l'acide itaconique est utilisé exclusivement dans des applications non alimentaires, en particulier dans l'industrie des polymères. Les dérivés d'acide itaconique sont utilisés dans la médecine, les cosmétiques, les lubrifiants, les épaississants et les herbicides (par exemple, les anilides d'acide itaconique substitués).

L'acide itaconique est produit uniquement par fermentation fongique submergée par lots. Aspergillus terreus a été utilisé à partir des années 1940 dans le processus de fermentation, qui est similaire à celui de l'acide citrique (voir `` acide citrique ''), c'est-à-dire qu'il nécessite un excès de sucre facilement métabolisable (sirop de glucose, hydrolysats d'amidon brut, et décationisé mélasse - jusqu'à 200 gl − 1 de sucre), une aération continue, un pH initial bas (entre 3 et 5), suffisamment d'azote, une concentration élevée en sulfate de magnésium (0,5%), une faible teneur en phosphate pour limiter la production de biomasse, et une limitation des ions métalliques (zinc, cuivre et fer). Cependant, il existe une différence significative en ce que la sensibilité de ce champignon à l'acide formé, contrairement à A. niger, nécessite le maintien du pH à 2,8–3,1 tout au long de la fermentation, afin d'obtenir des quantités élevées de l'acide. À l'heure actuelle, le rendement de production publié d'acide itaconique est d'environ 85% de la théorie, accompagné de concentrations de produit d'environ 80 g l − 1 lors d'une culture à 39–42 ° C pendant 8–10 jours. La récupération de l'acide itaconique est accomplie en séparant d'abord la biomasse fongique par filtration suivie d'une évaporation, d'un traitement avec du charbon actif et d'une cristallisation et recristallisation. Les marchés réels de l'acide itaconique sont actuellement limités car la fermentation fongique est réalisée à un coût relativement élevé. De nouvelles approches biotechnologiques, telles que les techniques d'immobilisation publiées, les programmes de dépistage d'autres organismes producteurs (comme la levure) et le génie génétique d'A. Terreus (la séquence du génome annotée de la souche A terreus NIH 2624 a été rendue publique), ou d'A. niger, pourrait conduire à une production plus élevée d'acide itaconique. En outre, l'utilisation de substrats alternatifs peut réduire les coûts et ainsi ouvrir le marché à des applications nouvelles et élargies de cet acide.

Cet acide précieux peut être produit par plusieurs organismes, tels que Candida sp., Pseudozyma antarctica, et plusieurs espèces d'Aspergillus [49], mais les deux micro-organismes les plus couramment utilisés sont Aspergillus terreus, utilisé dans les processus industriels, et Ustilago maydis, qui est actuellement activement étudié en tant que produit industriel possible. L'acide est utilisé dans le commerce comme comonomère dans certains caoutchoucs synthétiques (styrène-butadiène et nitrilique) et comme plastifiant dans la formulation d'autres polymères. Sa production se fait traditionnellement en utilisant des sucres comme matières premières, dans une technologie qui a été développée dans la première moitié du 20e siècle [50], mais qui n'a pas été développée en raison de la faible compétitivité de l'acide avec l'acide acrylique pétrochimique. Avec le développement de procédés intégrés et durables, l'intérêt pour la bioproduction d'acide itaconique est renouvelé.

L'acide itaconique est produit à partir d'A. Terreus, à partir de sucres simples. La production peut être effectuée en utilisant une fermentation solide submergée, et les substrats typiques sont dérivés de la production de sucre, comme la mélasse. Le mécanisme accepté pour la production d'acide itaconique consiste en la conversion du cis-aconitate en itaconate par une décarboxylation catalysée enzymatiquement [53] (Fig. 18.6).

Le cis-aconitate fait partie du cycle de Krebs, de sorte que le processus est aérobie - en fait extrêmement dépendant de l'oxygène, comme déterminé par Gyamerah [54]. Le calcium et le zinc sont importants [55], ainsi que le cuivre [56], et le maintien d'un faible taux de phosphate est essentiel [53]. La température idéale est de 40 ° C et le pH doit être réduit à 2 pour démarrer la production. Le processus est extrêmement aérobie pendant les 72 premières heures du processus, avec des rendements d'environ 60% p / p (produit / substrat) [55]. La concentration finale varie entre 30 et 60 g / L selon le substrat [56–58]. Après la fermentation, le bouillon est clarifié et l'acide libre peut être concentré et cristallisé, mais si une base est utilisée pour une neutralisation partielle pendant le processus (ce qui peut augmenter le rendement), il est nécessaire d'éliminer les cations utilisés dans la cristallisation.

La production d'acide itaconique dans les SSF est encore insaisissable: les rapports décrivent des productions de l'ordre de 5 à 40 g / kg de substrat sec [59]. Certains des rapports décrivant des rendements plus élevés, autour de 60%, utilisent en fait un support imbibé d'une solution nutritive [60,61]. Une comparaison entre les milieux synthétiques liquides et solides a montré que le procédé en SSF a une conversion inférieure (16% à 23%) à celle du procédé immergé (environ 60%). Il n'y a pas encore d'explication précise pour la production inférieure à l'état solide, mais il semble y avoir un excès de phosphate ou le manque de nutriments essentiels dans la plupart des substrats solides testés pour la réduction de l'acide itaconique.

D'abord obtenu à partir de la distillation de l'acide citrique, l'acide itaconique est produit depuis 1960 par fermentation d'hydrates de carbone par A. terreus (Mitsuyasu et al., 2009; Hajian et Yusoff, 2015). L'acide itaconique a été appliqué dans de nombreuses industries, les plus grands producteurs mondiaux étant les États-Unis, le Japon, la Russie et la Chine (Global Industry Analysts Inc., 2011).

Dans les années 1950, l'acide itaconique était utilisé dans les adhésifs industriels. Au cours de cette période, l'acide itaconique était utilisé à l'échelle industrielle et de grandes quantités de celui-ci étaient nécessaires. Il a été utilisé comme détergent et dans les shampooings, ainsi que dans les plastiques, les élastomères, la fibre de verre et dans le processus de revêtement de tapis et de couvertures de livres (Mitsuyasu et al., 2009; Jin et al., 2010). En outre, l'acide itaconique peut également être utilisé comme gemmes artificielles et verres synthétiques (Kin et al., 1998). Dernièrement, les applications du composé ont atteint les domaines biomédicaux, tels que les domaines ophtalmique, dentaire et d'administration de médicaments (Hajian et Yusoff, 2015).

Plusieurs études se sont concentrées sur l'amélioration et l'optimisation de la production d'acide itaconique à partir d'A. Terreus ces dernières années. Les aspects biotechnologiques impliqués dans les voies métaboliques de l'acide itaconique et les paramètres du processus de production ont été examinés par Klement et Büchs (2013). Concernant la production, Amina et al. (2013) ont obtenu de l'acide itaconique en utilisant du tourteau de graines de jatropha curcas, sous-produit d'huile, tandis que Li et al. (2011), Huang et al. (2014), et van der Straat et al. (2014) ont étudié la production d'acide itaconique en utilisant des techniques de génie génétique. Dans ce processus, les voies pertinentes ont été révélées et de nouvelles plates-formes de production microbienne conçues, contribuant à une production accrue d'acide itaconique. De plus, la réduction de ses coûts de production est un aspect important pour les producteurs d'acide itaconique, soit par l'optimisation des procédés, soit par l'utilisation de matières premières économiques.

L'acide itaconique ou acide méthylène succinique est un produit chimique de plate-forme de grande valeur qui trouve une application dans l'industrie des polymères, le traitement des eaux usées et le secteur de la chromatographie par échange d'ions (Willke et Vorlop, 2001). Il peut être converti en 3-méthyltétrahydrofurane qui a des propriétés d'émission et de combustion supérieures à celles de l'essence. La production industrielle d'acide itaconique est réalisée avec A. terreus en utilisant le glucose comme seule source de carbone. La production d'acide itaconique par Neurospora crassa métaboliquement modifié à l'aide de biomasse lignocellulosique a été évaluée par Zhao et al. (2018). Le gène de la décarboxylase d'acide cis-aconitique a été exprimé de manière hétérologue dans N. crassa pour synthétiser l'acide itaconique. La souche modifiée était capable de produire de l'acide itaconique (20,41 mg / L) directement à partir de la biomasse lignocellulosique.

La production d'acide itaconique à partir d'hydrolysat de biomasse à l'aide de souches d'Aspergillus a été signalée par Jiménez-Quero et al. (2016). Les hydrolysats acides et enzymatiques ont été évalués pour la production d'acide itaconique. Une production maximale d'acide itaconique (0,14%) a été observée lorsque la fermentation submergée a été réalisée avec l'hydrolysat de rafles de maïs par A. oryzae. L'étude révèle la possibilité de la SSF de la biomasse pour la production d'acide itaconique.

Klement et coll. (2012) ont évalué la production d'acide itaconique par Ustilago maydis à partir de la fraction hémicellulosique du bois de hêtre prétraité. L'un des avantages de U. maydis est que la souche se développe sous forme de cellules uniques semblables à des levures et qu'elle peut survivre sous un stress osmotique élevé. L'étude a révélé que dans des conditions de prétraitement légères, U. maydis serait un candidat prometteur pour la production d'acide itaconique. Un réglage fin des conditions de prétraitement doit être effectué pour améliorer la production d'acide itaconique.

Production d'acide itaconique
L'acide itaconique est un exemple d'acide insaturé di-carbonique. Ces acides sont utilisés comme éléments constitutifs d'un grand nombre de composés, tels que les résines, les peintures, les plastiques et les fibres synthétiques (plastique acrylique, superabsorbants et agents anti-tartre) [67]. Le cis-aconitate intermédiaire CAC est traité enzymatiquement par la cis-aconitate dehycarboxylase (CadA) pour produire de l'acide itaconique [68]. A l'échelle industrielle, l'organisme le plus exploré pour la production fermentaire d'acide itaconique est Aspergillus terrus. La voie de biosynthèse de l'acide itaconique est comme la biosynthèse du citrate, où le flux du CAC est utilisé dans la conversion catalytique du cis-aconitate en acide itaconique. Ainsi, le citrate est synthétisé à partir d'oxaloacétate et d'acétyl CoA, tandis que l'oxaloacétate est synthétisé à partir de pyruvate par anaplérose, qui part du pyruvate qui est le produit final de la glycolyse (Fig. 13.17) [69].

L'acide itaconique (IA) peut être utilisé:
• En tant que comonomère dans la polymérisation du polyacrylonitrile (PAN) pour favoriser la stabilisation thermo-oxydante du polymère. [1]
• En combinaison avec l'acrylamide pour former (poly [acrylamide-co- (acide itaconique)]) pour synthétiser des polymères superabsorbants biodégradables. [2]
• Synthétiser des composites polyester biosourcés dans l'industrie textile.

L'acide itaconique est un acide dicarbonique insaturé qui a un potentiel élevé en tant que bloc de construction biochimique, car il peut être utilisé comme monomère pour la production d'une pléthore de produits, notamment des résines, des plastiques, des peintures et des fibres synthétiques. Certaines espèces d'Aspergillus, comme A. itaconicus et A. terreus, montrent la capacité de synthétiser cet acide organique et A. terreus peut sécréter des quantités importantes dans les milieux (> 80 g / L). Cependant, par rapport au procédé de production d'acide citrique (titres> 200 g / L), les titres obtenus sont encore faibles et le procédé global est coûteux car des substrats purifiés sont nécessaires pour une productivité optimale. L'itaconate est formé par l'activité enzymatique d'une cis-aconitate décarboxylase (CadA) codée par le gène cadA chez A. terreus. Le clonage du gène cadA dans le champignon producteur d'acide citrique A. niger a montré qu'il est possible de produire de l'acide itaconique également dans un organisme hôte différent. Cette revue décrira l'état actuel et les progrès récents dans la compréhension des processus moléculaires menant à la production biotechnologique d'acide itaconique.

L'acide itaconique (acide 2-méthylidènebutanedioïque) est un acide di-carbonique insaturé. Il a un large spectre d'applications dans la production industrielle de résines et est utilisé comme élément constitutif des plastiques acryliques, des latex d'acrylate, des superabsorbants et des agents anti-tartre (Willke et Vorlop, 2001; Okabe et al., 2009). Depuis les années 1960, la production d'acide itaconique est réalisée par fermentation avec Aspergillus terreus sur des milieux contenant du sucre (Willke et Vorlop, 2001). Bien que d'autres micro-organismes comme Ustilago zeae (Haskins et al., 1955), U. maydis, Candida sp. (Tabuchi et al., 1981) et Rhodotorula sp. (Kawamura et al., 1981) produisaient de l'acide itaconique, A. terreus est toujours l'hôte de production dominant, car jusqu'à présent, seules les souches reproduites de cette espèce peuvent atteindre des niveaux allant jusqu'à 80-86 g / L (Okabe et al. ., 2009; Kuenz et al., 2012). Depuis les années 1990, l'acide itaconique en tant que matériau renouvelable suscite beaucoup d'intérêt. Actuellement, la capacité de production mondiale d'acide itaconique devrait être d'environ 50 kt par an, face à une demande d'environ 30 kt (Shaw, 2013, Itaconix Corporation, communication personnelle). En particulier, pour la production de polymères, il présente un intérêt, car à l'avenir il peut fonctionner comme un substitut à l'acide acrylique et méthacrylique utilisé pour la production de plastiques (Okabe et al., 2009). Cependant, ces applications nécessitent un prix encore plus bas du matériau de départ. Les connaissances actuelles sur la production biotechnologique d'acide itaconique ont été récemment revues (Willke et Vorlop, 2001; Okabe et al., 2009). Ce dernier examen couvre la production industrielle d'acide itaconique et les applications de ce produit. Par conséquent, nous nous concentrons dans ce rapport sur les progrès récents en mettant l'accent sur la biochimie du processus et les nouvelles cibles du génie génétique. Pour une amélioration rationnelle des souches, il est essentiel de comprendre les concepts biologiques sous-jacents et les voies biochimiques menant à la production de cet acide organique important dans les micro-organismes.

Voie de biosynthèse
Kinoshita (1932) a reconnu qu'un champignon filamenteux était capable de produire de l'acide itaconique et a par conséquent décrit cette espèce comme A. itaconicus. La biosynthèse de l'acide itaconique a longtemps été vivement débattue, car il n'était pas clair si l'acide itaconique provenait d'une voie comprenant des parties du cycle de l'acide tricarboxylique (TCA) ou d'une voie alternative via le citramalate ou la condensation de l'acétyl-CoA.

Bentley et Thiessen (1957a) ont proposé une voie pour la biosynthèse de l'acide itaconique, qui est représentée sur la figure 1. En partant d'un substrat de sucre comme le glucose, les molécules de carbone sont transformées par glycolyse en pyruvate. Ensuite, la voie est divisée et une partie du carbone est métabolisée en acétyl-CoA libérant une molécule de dioxyde de carbone. L'autre partie est convertie en oxaloacétate de sorte que la molécule de dioxyde de carbone précédemment libérée soit à nouveau incorporée. Dans les premières étapes du cycle de l'acide citrique, du citrate et du cis-aconitate se forment. Dans la dernière étape, la seule étape dédiée à la voie de l'acide itaconique, la cis-aconitate décarboxylase (CadA) forme de l'acide itaconique libérant du dioxyde de carbone. Cette voie a été confirmée par des expériences de traceurs avec des substrats marqués au 14C et au 13C (Bentley et Thiessen, 1957a; Winskill, 1983; Bonnarme et al., 1995) et les activités enzymatiques nécessaires ont également été déterminées (Jaklitsch et al., 1991).

La formation d'acides carboxyliques, comme l'acide citrique et itaconique, implique la navette de métabolites intermédiaires entre différents compartiments intracellulaires et utilise les différentes capacités enzymatiques du compartiment respectif. Dans le cas de l'acide itaconique, la compartimentation de la voie a été analysée par des extraits cellulaires fractionnés distinguant l'activité enzymatique d'une mitochondrie d'une enzyme cytosolique. Il a été constaté que l'enzyme clé de la voie, CadA, n'est pas localisée dans les mitochondries mais dans le cytosol (Jaklitsch et al., 1991), alors que les enzymes précédant la voie, à savoir la citrate synthase et l'aconitase, se trouvent dans le mitochondries. Cependant, un niveau résiduel d'activité aconitase et citrate synthase est également trouvé dans la fraction cytosolique. Le mécanisme proposé est que le cis-aconitate est transporté via l'antiporteur malate-citrate dans le cytosol (Jaklitsch et al., 1991). Cependant, jusqu'à présent, il n'a pas été montré si le cis-aconitate utilise l'antiporteur malate-citrate mitochondrial ou utilise une autre protéine porteuse mitochondriale à transférer vers le cytosol.

Outre A. terreus, l'acide itaconique est également connu pour être produit par d'autres champignons comme U. zeae (Haskins et al., 1955), U. maydis (Haskins et al., 1955; Klement et al., 2012), Candida sp . (Tabuchi et al., 1981) et Rhodotorula sp. (Kawamura et al., 1981). Aucune autre étude n'existe sur les principes de réaction sous-jacents conduisant à la formation d'acide itaconique dans ces espèces. Cependant, des preuves récentes (Strelko et al., 2011; Voll et al., 2012) indiquent que l'activité du CadA constitue la voie générale vers la formation d'acide itaconique dans la nature. Très récemment, l'acide itaconique a été détecté dans des cellules de mammifères, où il a été trouvé dans des cellules dérivées de macrophages (Strelko et al., 2011). Ces cellules possèdent également une activité CadA et ont la capacité de former de l'acide itaconique de novo. Mais jusqu'à présent, aucun gène spécifique codant pour cette activité enzymatique n'a été identifié dans les cellules de mammifères.

Cependant, le rôle physiologique de l'acide itaconique dans les cellules de mammifères est encore inconnu. Strelko et coll. (2011) spéculent sur le rôle de l'acide itaconique en tant qu'inhibiteur des voies métaboliques, car il est décrit comme un inhibiteur enzymatique. D'une part, l'acide itaconique est connu pour inhiber l'isocitrate lyase (Williams et al., 1971; McFadden et Purohit, 1977), qui est la partie cruciale du shunt glyoxylate, et peut donc agir comme un agent antibactérien. D'autre part, l'acide itaconique peut inhiber la fructose-6-phosphate 2-kinase (Sakai et al., 2004) et avoir ainsi une influence directe sur le métabolisme central du carbone. Chez le rat, il a été démontré qu'un régime à base d'itaconate entraîne une diminution de l'accumulation de graisse viscérale, en raison d'un flux glycolytique supprimé (Sakai et al., 2004).

Enzymes et gènes spécifiques de la voie de l'acide itaconique
La réaction catalysée par l'acide cis-aconitique décarboxylase a déjà été décrite en 1957 (Bentley et Thiessen, 1957a, b). Des expériences de marquage au 13C et 14C effectuées par la suite (Winskill, 1983; Bonnarme et al., 1995) ont confirmé le schéma réactionnel illustré à la figure 2. L'acide itaconique est formé par un réarrangement allylique et une décarboxylation de l'acide cis-aconitique éliminant soit le carbone C1 soit C5 la molécule d'acide citrique de départ (en raison de la symétrie de la molécule).

Catabolisation de l'acide itaconique
On sait beaucoup de choses sur la biosynthèse de l'acide itaconique et les mécanismes enzymatiques sous-jacents, mais pour une image biochimique complète d'un certain métabolite, la connaissance de sa dégradation est également nécessaire. Malheureusement, les informations sur la voie de dégradation de l'acide itaconique sont rares. Dans les cellules de mammifères (cobaye et foie de rat), il a été trouvé que l'itaconate est converti en itaconyl-CoA (Adler et al., 1957) et est ensuite traité via le citramalyl-CoA (Wang et al., 1961) en pyruvate et acétyl- CoA. Ainsi, il a été trouvé que le malonate a un effet inhibiteur et qu'une addition empêche la dégradation de l'acide itaconique (Adler et al., 1957). La première étape de cette voie de dégradation peut être catalysée par la succinyl-CoA synthétase omniprésente (Adler et al., 1957; Nagai, 1963; Schürmann et al., 2011). La troisième étape de la voie est catalysée par une citramalyl-CoA lyase, où les gènes de Chloroflexus aurantiacus (Friedmann et al., 2007) et Pseudomonas putida (Jain, 1996) ont été clonés. Cependant, aucune protéine ni séquence de gène n'a été identifiée à ce jour, ce qui peut catalyser la deuxième étape de la voie de dégradation, qui est une itaconyl-CoA hydratase (Cooper et Kornberg, 1964).

Ingénierie métabolique de la voie de l'acide itaconique chez A. terreus et A. niger
Les niveaux d'acide itaconique qui ont été atteints avec A. terreus sont actuellement limités à environ 85 g / L. Bien que ce soit déjà une quantité substantielle, il ne peut pas être comparé à la production d'acide citrique où des titres supérieurs à 200 g / L sont régulièrement obtenus dans les procédés industriels. Transféré à la production d'acide itaconique, un titre théorique maximal d'environ 240 g / L devrait être réalisable (Li et al., 2011). Cet objectif pourrait être atteint en poursuivant la sélection des souches existantes ou en ciblant le génie génétique.

Chez A. terreus, il a été démontré qu'un gène influence la performance de la production d'acide itaconique, qui est une enzyme clé de la glycolyse. La 6-phosphofructo-1-kinase est connue pour être inhibée par le citrate et l'adénosine triphosphate (ATP). Cependant, une version tronquée du gène pfkA d'A. Niger s'est avérée présenter un rendement en acide citrique plus élevé en raison d'une inhibition réduite par le citrate et l'ATP (Capuder et al., 2009). Cette version tronquée de pfkA a également eu un impact positif sur l'accumulation d'acide itaconique lorsqu'elle est exprimée dans A. terreus (Tevz et al., 2010). Une autre approche technique concerne l'apport d'oxygène intracellulaire. La production d'acide itaconique nécessite une aération continue et déjà une courte interruption d'oxygène diminue le rendement en acide itaconique. Afin de réduire la sensibilité à l'oxygène, un gène d'hémoglobine de Vitreoscilla a été exprimé chez A. terreus. En effet, l'expression de ce gène conduit à une production accrue d'acide itaconique. De plus, les souches ont montré une meilleure récupération après l'interruption de l'aération (Lin et al., 2004).

Il est possible que la constitution génétique d'A. Terreus ne soit pas suffisamment efficace pour soutenir la production de titres plus élevés d'acides organiques. Par conséquent, une stratégie consiste à modifier génétiquement la voie de biosynthèse de l'acide itaconique dans un autre organisme hôte, qui est déjà connu pour soutenir la production de titres élevés d'acides organiques. Comme déjà mentionné, A. niger est un tel candidat. L'étape unique et cruciale de la voie de biosynthèse est la décarboxylation de l'acide cis-aconitique en acide itaconique. Lorsque le gène cadA (Kanamasa et al., 2008) a été caractérisé dans A. terreus, le génie génétique de la voie dans un autre organisme est devenu possible. Li et coll. (2011) ont exprimé le gène A. terreus cadA dans la souche AB 1.13 d'A. Niger. Pour cela, le gène cadA a été placé sous le contrôle du promoteur A. niger gpdA, ce qui permet une expression forte et constitutive. Une souche de A. niger qui exprime le gène cadA seul a la capacité de produire environ 0,7 g / L d'acide itaconique. Ce niveau n'est pas comparable aux souches de production actuelles d'A. Terreus, mais constitue un point de départ prometteur pour d'autres étapes d'ingénierie. D'autres tentatives pour augmenter le rendement consistent à exprimer des gènes comme la protéine porteuse mitochondriale mentionnée ci-dessus avec le gène cadA (Jore et al., 2011; van der Straat et al., 2012).

Perspective
L'acide itaconique en tant qu'acide organique renouvelable est d'un intérêt croissant pour l'industrie chimique, en raison de son potentiel à remplacer les produits à base de pétrole brut comme l'acide acrylique. Jusqu'à présent, les processus basés sur les micro-organismes ont été améliorés par une sélection classique de souches et des optimisations des stratégies et des conditions de fermentation. En particulier, les connaissances sur le processus biotechnologique, y compris l'approvisionnement en oxygène, les compositions des milieux et les différents systèmes de bioréacteur, ont été considérablement élargies (Kuenz et al., 2012). En ce qui concerne la composition du milieu, il a été constaté que les ions cuivre influencent positivement la production d'acide itaconique dans une souche d'A. Niger génétiquement modifiée (Li et al., 2012). Cependant, on ne sait pas quelles réactions biochimiques sont responsables ou impliquées dans un tel effet. Comme déjà mentionné ci-dessus, les réactions biochimiques et les effets de l'acide itaconique dans les hôtes de production ne sont pas complètement décrits. La voie de catabolisation de l'acide itaconique nécessite des recherches supplémentaires afin de concevoir un hôte de production avec une voie de dégradation désactivée. L'effet de l'acide itaconique sur d'autres voies métaboliques est également intéressant car la compréhension de son rôle physiologique permet de prévenir les effets secondaires indésirables (toxicité, risque sanitaire, inhibition des voies) et d'augmenter la sécurité de son utilisation. De plus, il peut être une cible intéressante pour la recherche médicale car dans des cellules de mammifères, il a été détecté dans une lignée cellulaire tumorale métastatique (Strelko et al., 2011). Des connaissances supplémentaires sur son rôle en tant qu'inhibiteur d'enzyme peuvent aider à développer des variétés d'enzymes moins résistantes, comme dans le cas de la phosphofructokinase 2. Une autre cible pour une ingénierie ultérieure est l'enzyme CadA, qui est décrite comme une protéine instable. Prolonger sa stabilité in vivo peut aider à augmenter l'efficacité des hôtes de production existants. La régulation génétique de la voie de l'acide itaconique chez A. terreus nécessite également une analyse approfondie. Li et coll. (2011) ont montré que les gènes impliqués dans la voie de biosynthèse (cadA) peuvent être identifiés par des approches transcriptomiques. Cependant, on ne sait pas à ce jour sur les mécanismes de régulation conduisant à l'expression de ces gènes.
Les recherches sur les principes moléculaires de la synthèse de l'acide itaconique ont révélé que la décarboxylase d'acide cis-aconitique est l'étape dédiée de sa biosynthèse chez A. terreus. Le génie génétique de cette étape enzymatique rend également d'autres hôtes microbiens comme A. niger aux producteurs d'acide itaconique.

L'acide itaconique est bien connu comme précurseur de la synthèse de polymères et est impliqué dans les procédés industriels depuis des décennies. Dans une découverte surprenante récente, l'acide itaconique s'est avéré jouer un rôle en tant que métabolite de soutien immunitaire dans les cellules immunitaires de mammifères, où il est synthétisé comme composé antimicrobien à partir de l'acide cis-aconitique intermédiaire du cycle de l'acide citrique. Bien que la protéine du gène 1 immuno-sensible (IRG1) ait été associée à une réponse immunitaire sans fonction mécaniste, le lien critique avec la production d'acide itaconique par une fonction enzymatique de cette protéine n'a été révélé que récemment. Dans cette revue, nous mettons en évidence l'histoire de l'acide itaconique en tant que composé industriel et antimicrobien, en commençant par sa synthèse biotechnologique et en terminant par sa fonction antimicrobienne dans les cellules immunitaires de mammifères.

L'acide itaconique ou acide méthylènesuccinique est un acide dicarboxylique insaturé à cinq atomes de carbone avec un groupe carboxyle conjugué au groupe méthylène. Selon les prévisions annuelles, le marché devrait dépasser 410000 t d'ici 2020 (Choi et al., 2015). L'acide itaconique a de larges applications dans la fabrication d'absorbants, de détergents sans phosphate, de nettoyants et de composés bioactifs. L'acide itaconique est recherché comme composé pour remplacer les produits chimiques à base de pétrole tels que l'acide acrylique ou les acides méthylacryliques qui sont actuellement utilisés dans l'industrie des polymères. Les esters polymérisés de l'acide itaconique (IA) sont largement utilisés dans les industries des adhésifs et des peintures / revêtements. L'acide itaconique est également utilisé dans l'industrie des polymères et est également utilisé dans la synthèse du 3-méthyltétrahydrofurane. Une société appelée Itaconix travaille sur l'utilisation de la biomasse ligneuse comme matière première pour la fermentation de l'acide itaconique.

L'acide itaconique est un élément important de l'industrie chimique. C'est une poudre cristalline blanche qui se biodégrade facilement dans le sol. Par conséquent, il s'agit d'un substitut optimal aux produits chimiques dérivés du pétrole tels que l'acide acrylique, l'anhydride maléique ou l'acétone cyanohydrine dans diverses industries d'utilisateurs finaux. La demande d'acide itaconique est élevée dans la fabrication de polymères superabsorbants, principalement utilisés dans les couches, l'incontinence adulte et les produits d'hygiène féminine. L'acide itaconique est utilisé comme agent de réticulation en raison de sa capacité à participer efficacement à la polymérisation par addition. Il trouve également une large application dans l'enrobage des semences, le trempage des racines, les jardins ornementaux, l'emballage alimentaire et la neige artificielle. En outre, la demande croissante de résines polyester insaturées dans les tuyaux, les pierres artificielles, les armoires électriques et les résines de stratification devrait augmenter la demande d'acide itaconique. Le prix élevé de l'acide itaconique est le principal facteur entravant la croissance du marché de l'acide itaconique. L'acide polyitaconique (un dérivé de l'acide itaconique) a le potentiel de remplacer le tripolyphosphate de sodium dans les détergents.

L'acide itaconique est un produit biosourcé principalement produit par fermentation à l'aide de certains champignons filamenteux (par exemple Ustilago, Helicobasidium et Aspergillus). Un mélange d'acide itaconique, d'acide citraconique et d'anhydride citraconique est également obtenu par réaction d'anhydride succinique avec du formaldéhyde à 200-500 ° C en présence d'hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux (pourrait au moins partiellement être biosourcé si le succinate biosourcé est utilisé comme matière première pour la production d'anhydride succinique). D'autres méthodes impliquent la carbonylation du chlorure de propargyle avec des catalyseurs métal-carbonyle et la décomposition thermique de l'acide citrique, qui est également un produit chimique biosourcé. Aspergillus terreus est la souche couramment utilisée pour la production industrielle d'acide itaconique. De nombreuses recherches ont été consacrées à la réduction des coûts de production: le remplacement du sucre, utilisé comme source de carbone, par des substrats alternatifs moins chers tels que la biomasse cellulolytique; l'optimisation du type et de la configuration du bioréacteur; dériver des innovations par lesquelles le processus devient plus économe en énergie; amélioration de la souche par génie génétique et métabolique, permettant l'utilisation efficace de substrats alternatifs bon marché, etc. L'activité de brevet récente s'est particulièrement concentrée sur l'amélioration de la souche productrice, principalement en utilisant des techniques d'ADN recombinant, et plusieurs brevets ont été déposés dans le monde entier dans le dernier 10 années. Il existe une opportunité de marché significative pour le développement de produits biosourcés à partir du bloc de construction C5, l'acide itaconique. Les défis majeurs sont principalement liés à la réduction du coût global de la fermentation.

Cet acide précieux peut être produit par plusieurs organismes, tels que Candida sp., Pseudozyma antarctica, et plusieurs espèces d'Aspergillus [49], mais les deux micro-organismes les plus couramment utilisés sont Aspergillus terreus, utilisé dans les processus industriels, et Ustilago maydis, qui est actuellement activement étudié comme produit industriel possible. L'acide est utilisé dans le commerce comme comonomère dans certains caoutchoucs synthétiques (styrène-butadiène et nitrilique) et comme plastifiant dans la formulation d'autres polymères. Sa production se fait traditionnellement en utilisant des sucres comme matières premières, dans une technologie qui a été développée dans la première moitié du 20e siècle [50], mais qui n'a pas été développée en raison de la faible compétitivité de l'acide avec l'acide acrylique pétrochimique. Avec le développement de procédés intégrés et durables, l'intérêt pour la bioproduction d'acide itaconique est renouvelé.