Semestre 9 - Chimie et Bioingénierie

Permettre aux élèves d'acquérir des compétences scientifiques complémentaires à leur filière d'origine et de consolider leur culture générale.
Apporter des notions de Biologie/Biotechnologie aux élèves ayant un profil de chimie et des notions de Chimie moléculaire et macromoléculaire pour les élèves ayant un profil de biologie.
Sensibiliser les élèves aux problématiques d'éthique et de communication scientifique.
Partager les cultures scientifiques des élèves ingénieurs de l'ENSCBP (filières CGP et AGB) et de l'ENSTBB.
Construire et organiser des recherches bibliographiques, des réflexions théoriques, des enquêtes et des réalisations en commun.


Ce module est conçu conjointement avec l'ENSTBB. Il est ouvert à un nombre limité d'étudiants de l'ENSCBP (12 maximum de la filière CGP, 12 maximum de la filière AGB) et de l'ENSTBB (12 maximum). Il est un prérequis obligatoire pour les élèves désirant suivre la spécialisation Chimie et Bioingénerie.
Le module se déroule sur quatre semaines :

La mise en place des pré-requis, la première semaine.

Pour les biologistes de formation : « Chimie organique » et « Physico-chimie des polymères »
Pour les chimistes de formation « Bases de biologie cellulaire, moléculaire et biotechnologie » et « Protéines et enzymes »


Avec l'utilisation d'un « dictionnaire » interactif pour aider à la prise en main du vocabulaire de Biologie et de Chimie afin de faciliter un apprentissage rapide des connaissances dans un domaine scientifique qui n'est pas celui initial.

Des conférences d'intervenants extérieurs réparties sur 3 semaines.

Ces conférences traiteront essentiellement d'éthique, de responsabilité sociétale, de communication scientifique et de propriété intellectuelle.
Exemples de conférences :

Management et ressources humaines
Vulgarisation des connaissances scientifiques
Propriété intellectuelle : veille technologique et brevets
De la production de la connaissance scientifique jusqu'aux modes de transfert technologique
Ethique et innovation dans le domaine pharmaceutique
Conception managériale favorisant le bien-être et l'efficacité au travail
Relations entre science, technologie, société et éthique
Une semaine de travaux pratiques

Production d'une protéine recombinante par Génie génétique - pour les chimistes de formation.
Synthèse d'un monomère fluorescent - pour les biologistes de formation.


Un projet est à réaliser en équipe, au cours des quatre semaines. Les élèves doivent définir et développer un sujet d'actualité scientifique se situant à l'interface de la chimie et la biologie et présentant des enjeux sociétaux. Les équipes seront mixtes ENSCBP/ENSTBB.
Le module se déroulera à l'ENSCBP ( à l'exception des TP de Biologie qui se feront à l'ENSTBB).

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Objectifs

Etre capable de sélectionner et d'analyser des données scientifiques de la littérature en rapport avec son sujet de stage de spécialisation
Replacer ces données dans un contexte scientifique, stratégique, managérial et économique,
Expliquer les problématiques du projet, en proposant une démarche scientifique et technique
Défendre cette démarche en mobilisant et transférant ses connaissances scientifiques et techniques

Contenu
Sur la base du sujet de stage de spécialisation, il s'agit de remettre le sujet proposé dans différents contextes (managérial, économique, scientifique..), de discuter de sa validité scientifique et de proposer diverses stratégies pour atteindre les objectifs et de défendre à l'oral un plan d'action.
Les élèves présentent oralement leur sujet de stage à un jury composé de trois examinateurs minimum intervenants dans les différents modules. Il s'ensuit une discussion qui permet de couvrir/balayer l'ensemble des thématiques abordées au cours des enseignements de spécialisation. Des questions sur les cours suivis tout au long du cursus de l'élève peuvent aussi être posées.
Modalités d'évaluation
Orale (Présentation : 10 min Discussion : 15 min)
Coef 2
2ème session : oral (en septembre)

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Module 1 : Usine cellulaire (71h - 5 semaines - à l'ENSTBB)
Production de protéines recombinantes (10h)

Introduction - Principes généraux
Hôtes principaux pour l'expression (bactéries + levures + cellules d'insectes + HEK-CHO)
Description de procédés de production de protéines recombinantes thérapeutiques

Insuline, hormone de croissance
Les protéines conjugués cas des anticorps conjugués


Modification chimique sélective des protéines (8h)

Modification des acides aminés naturels (Cys, Lys, Met)
Incorporation d'acides aminés non naturels. Principe et exemples

Exemples d'applications : pegylation des protéines thérapeutiques, conjugaison de drogues ou de radioisotopes etc.


Biomimétisme (8h)

Polymères polypeptidiques pour biomatériaux : exemples des Elastin-like proteins et Silk-like proteins
Exemples d'applications en « Drug-delivery » (antibiotiques, anticancéreux, SI-RNA et gene delivery)
Exemples d'applications en médecine régénérative, tissue engineering, bioprinting

Ingénierie métabolique (9h)

Introduction - Principes généraux
Optimisation des voies métaboliques
Description de procédés de synthèse

Synthèse d'artémisinine et d'hydrocortisone chez la levure
Synthèse de pinene (carburant de fusée) dans E. coli


Catalyse enzymatique (18h)

Découverte et ingénierie d'enzymes pour les biotechnologies industrielles

Présentation des approches de découverte d'enzymes par analyse bioinformatique, et génomique ou métagénomique fonctionnelle.
Technologies d'ingénierie des protéines par des méthodes rationnelles, semi-rationnelles ou aléatoires.
Applications à l'optimisation d'enzymes ou la génération de nouvelles activités pour le développement de procédés enzymatiques ou chimio-enzymatiques, et la biologie de synthèse.




Modification des enzymes : exemples d'application

Modifier par voie génétique une enzyme pour améliorer son fonctionnement qui ne serait pas optimal ou la rendre moins sensible au produit qui l'inhiberait (modification à priori ou mutagénèse aléatoire)
Notion d'enzymes bi-fonctionnelle, de complexes multifonctionnels (channeling)
Les enzymes utilisées en catalyse de polymérisation : pour quelle réaction (oxydoréductase, lipases, ... )
Enzymes immobilisée



Aspects réglementaires et propriété intellectuelle (6h)

Aspects réglementaires (Ingénierie génomique à façon, recombinaison homologue vs CRISPR/CAS9, échelle de temps, ... ) - Propriété intellectuelle

Exemples d'application (5h)

Engineering of bioelectrocatalytic surfaces
Les Biotechnologies pour une innovation durable en cosmétique

Evaluation module 1 : évaluation écrite sous forme d'une analyse d'un article scientifique (2h, documents autorisés, 2ème Session identique 1ère session, en septembre), Coef 2

Module 2 : Vers une chimie durable (94h20 - 5 semaines - à l'ENSCBP)

Chimie verte (10h)

Introduction - Principes généraux
Milieux non usuels (eau, liquide ionique, fluides supercritiques, ...)
Activation (microonde, mécanochimie,...)
Catalyse hétérogène

Catalyse organique de polymérisation (4h)

Contexte : principes de l'organocatalyse et comparaison avec les catalyses métallique et enzymatique
Principaux catalyseurs, principaux monomères et mécanismes associés
Catalyse de polymérisation par des acides et « super-acides » organiques (au sens de Bronsted)
Catalyse de polymérisation par des bases et « super-bases » organiques (au sens de Bronsted)
Catalyse de polymérisation par des bases de Lewis (au sens de Bronsted)
Catalyse duale de polymérisation : systèmes catalytiques mono- et bi-composants
Catalyse coopérative duale associant composants organique et métallique
Ingénierie macromoléculaire par catalyse organique de polymérisation : copolymères à blocs, polymères en étoile, macrocycles, etc.
Perspectives d'applications et défis à relever

Biomasses et bioraffinerie (13h20)
Cycle du carbone - enjeux - biomasse

Problématiques, Biomasse (production - utilisation - diversités)

Concept de bioraffinerie

Définition du concept
Biocarburants gazeux ou liquides
Filière des oléagineux
Filière des sucres

Bioraffinerie cellulosique

Paroi cellulaire, les extractibles, les procédés de déconstruction de la lignocellulose

Les synthons de la bioraffinerie

Synthons de base
Dépolymérisation des polysaccharides
Dépolymérisation de la lignine

Chimie des produits naturels (13h20)
Produits Naturels :

Introduction

Métabolites primaires et métabolites secondaires
Différentes familles : (kétides, Terpène, Phénols, Alkaloïdes)




Biosynthèses des molécules naturelles :

PKSs et NRPs
Synthèse des phénols, flavonoïdes, etc. . .
Biosynthèse des Terpènes : (IPPs, MEV et MEP/DOXP)
Alkaloïdes quinoliniques, indoliniques, Vinca, . . .



Produits Naturels et Médicaments :

Généralité sur les molécules actives issues de plantes
Extractions, identifications
Qu'est-ce qu'un médicament ?
Principes actifs et nom DCI
Notion sur les brevets
Notion de Med-Chem
Notion de SAR (Structure-Activity Relationship)
Hémisynthèse
Exemples et histoires de quelques médicaments.


Les polymères biosourcés (10h40)

Grandes classes de polymères synthètiques et méthodes d'obtention
Définitions : Biopolymères - Polymères bio-sourcés - Polymères biodégradables
Polymères bio-sourcés : les moteurs de leur développement
Polymères bio-sourcés issus des polymères naturels (polymères artificiels)
Bio-alternative aux polymères d'origine fossile
Nouveaux polymères thermoplastiques bio-sourcés et leurs propriétés
Matériaux réticulés biosourcés
Données socio-économiques sur les polymères bio-sourcés

Cycle de vie - futurs défis (14h)

Cycle de vie des produits : définition et illustration par un exemple
Amélioration de la chaîne de valeur
Défis scientifiques et technologiques (procédés)

Exemples d'application (29h)

Vers une chimie durable, challenges et opportunités
Innovation procédés continus : pharmaceutical world of tomorrow, innovative toolss and innovative way of working
Le mariage réussi des plastiques et des enzymes
Chimie verte et industrie : les ressources renouvelables comme sources d'innovation
Valorisation de coproduits de l'amidon
Une chimie au coeur du renouvelable
Arkema, le leader des matériaux de spécialité
Eco-conception chez Michelin

Evaluation module 2 : évaluation écrite sous forme d'une analyse d'un article scientifique (2h, documents autorisés, 2ème Session identique 1ère session, en septembre) Coef 2

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Objectifs

Le Projet Industriel permet aux élèves de travailler sur un sujet d'actualité proposé par un industriel en lien avec la spécialisation. Cela implique de respecter les consignes données en répondant aux divers objectifs affichés par l'industriel. Le sujet peut être un sujet bibliographique et/ou de la veille technologique.
Le travail réalisé doit utiliser la démarche de la conduite de projets dans l'industrie.
Il est professionnalisant et peut éventuellement déboucher sur un stage dans l'entreprise commanditaire.

Contenu

Les élèves travaillent par groupe mixte ENSTBB/ENSCBP de 3 à 5 personnes dont 1 chef de projet.
Chaque groupe choisit un sujet.
Chaque groupe de projet doit travailler en concertation avec l'entreprise commanditaire du projet et avec l'enseignant référent local (tuteur académique).


Modalités d'évaluation

Ecrite (Rapport : 20 pages maximum hors annexe à rendre une semaine avant la soutenance)
Orale (Présentation : 30 min Discussion : 20-30 min devant un jury de 3-4 personnes dont un rapporteur, l'enseignant référent local du projet, le commanditaire industriel si possible et au moins un des responsables de la spécialisation)

Coef 2 (1 écrit + 1 oral)
Pas de 2ème session, report des notes

Rapport :
2 exemplaires sont demandés une semaine avant la soutenance (les dates seront précisées ultérieurement) un exemplaire, destiné au rapporteur, en format papier est à rendre à la scolarité de l'ENSTBB ou de l'ENSCBP (précisé ultérieurement) le deuxième peut être envoyé à votre référent local par version électronique s'il n'est pas confidentiel ou peut être rendu également à la scolarité sous format papier ( à voir avec votre référent local).
ATTENTION : voir avec l'industriel pour la confidentialité (rapport/soutenance)
Soutenance :
Les soutenances du projet de recherche industriel auront lieu dans la dernière semaine du module de spécialisation (les dates seront précisées ultérieurement).

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Appliquer dans un contexte professionnel les connaissances scientifiques et techniques acquises au cours des deux premières années du cursus participer à une étude technique ou scientifique Faire preuve de rigueur dans l'obtention et l'analyse des résultats, et savoir les présenter dans un rapport écrit et une soutenance orale Développer son esprit d'initiative et son esprit critique.

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