Comment est obtenu l'acide polyglutamique ?

L'acide polyglutamique est une molécule issue de la polymérisation d'un acide aminé, l'acide glutamique. Découvert il y a quelques décennies, il a été exploité dans différents secteurs, tels que l'industrie alimentaire, en raison de ses propriétés nutritionnelles intéressantes, la médecine, notamment pour soutenir le processus de cicatrisation, et l'industrie de traitement des eaux usées. Aujourd'hui, l'acide polyglutamique est également utilisé pour formuler des soins cosmétiques, majoritairement à visée hydratante. En effet, cet actif agit via plusieurs mécanismes pour maintenir l'hydratation de la peau, notamment en formant un film à sa surface et en stimulant la synthèse de certaines molécules appartenant au facteur naturel d'hydratation, naturellement présent dans la couche cornée.

L'acide polyglutamique est traditionnellement obtenu par biosynthèse à partir de l'acide L-glutamique en utilisant une bactérie à Gram positif de la classe des Bacilli. Chez Typology, nous utilisons la bactérie Bacillus subtilis.

La production de l'acide polyglutamique se fait exclusivement grâce à des micro-organismes Gram positifs appartenant à la classe des Bacilli. Parmi les principaux utilisés, on trouve Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, ou encore Bacillus anthracis. La synthèse de l'acide polyglutamique se fait selon un processus non-ribosomique, catalysé exclusivement par des enzymes, par opposition aux peptides dits ribosomiques, qui sont eux synthétisés par des ribosomes. Pour rappel, les ribosomes sont des complexes qui assurent la traduction de l'ARNm et permettent la synthèse des protéines. Le processus non-ribosomique est un mécanisme de synthèse particulier, rencontré uniquement chez les bactéries et les champignons. La synthèse de l'acide polyglutamique se déroule en deux grandes étapes :

• Production de l'acide aminé L-glutamique : L'acide L-glutamique est produit à partir du 2-oxoglutarate, intermédiaire du cycle de Krebs, par l'action de la glutamate synthase et de la glutamate déshydrogénase. Dans certaines souches, comme B. licheniformis, ces enzymes ne sont pas inhibées par le produit final, ce qui permet une accumulation élevée de L-glutamate.

• Polymérisation du glutamate : Une partie du L-glutamate est racémisée en D-glutamate via une glutamate racémase. Les deux formes sont ensuite co-polymérisées en acide polyglutamique selon une voie enzymatique particulière. Le L-glutamate est tout d'abord activé par l'ATP pour former un intermédiaire γ-glutamyl-AMP. Ce groupement activé est ensuite transféré sur une enzyme porteuse contenant un groupement thiol avant d'être converti en D-glutamate. Ce glutamate activé est alors transféré vers une chaîne croissante d'acide polyglutamique au moyen d'une liaison γ-amide. Ce mécanisme permet une croissance progressive du polymère, avec un contrôle précis du ratio D/L en fonction des souches bactériennes et des cofacteurs, comme les ions Mn²⁺, qui régulent l’activité racémase.

Il est également intéressant de savoir que la synthèse de l’acide polyglutamique est contrôlée par un ensemble de gènes organisés en opérons, dont l’expression dépend du rôle biologique que joue le polymère chez la bactérie : soit sous forme de capsule protectrice, soit sous forme extracellulaire libre, comme c’est le cas pour les applications industrielles et cosmétiques. Dans ce dernier cas, la synthèse d'acide polyglutamique est dirigée par un opéron nommé pgsBCA ou pgsBCAAE selon les souches, composé des gènes pgsB, pgsC, pgsAA et parfois pgsE. Ces gènes peuvent se situer sur le chromosome bactérien ou sur un plasmide.

Concrètement, la production industrielle de l’acide polyglutamique repose sur un procédé de fermentation contrôlée à partir de certaines souches bactériennes. Ces bactéries sont cultivées dans des fermenteurs à grande échelle, dans un milieu riche en substrats carbonés et azotés, en présence de sels minéraux et de cofacteurs comme le Mn²⁺. La température, le pH, l’aération et l’agitation sont finement régulés pour optimiser à la fois la croissance bactérienne et la synthèse du polymère. Après plusieurs dizaines d’heures de fermentation, l'acide polyglutamique est excrété par les bactéries dans le milieu de culture extracellulaire, ce qui facilite son extraction. Le surnageant est alors récupéré, puis l'acide polyglutamique est précipité, souvent à l'aide d'éthanol, purifié, séché et parfois fractionné, selon le poids moléculaire souhaité.