Production of isopropanol, butanol and ethanol by metabolic engineered Clostridia

par Florent Collas

Thèse de doctorat en Microbiologie et Biologie moléculaire

Sous la direction de Claude Gaillardin.

Le président du jury était Christian Larroche.

Le jury était composé de Claude Gaillardin, Philippe Looten, Rémy Marchal, Ana maria Lopes-Contreras.

Les rapporteurs étaient Henri-Pierre Fierobe.


  • Résumé

    Au cours des dernières décennies, la fermentation IBE (isopropanol, butanol and éthanol) a connu un regain d'intérêt en vue de la production de carburants ou de composés chimiques à partir de matériaux renouvelables. Dans cette étude, nous avons étudié la production d'IBE avec le producteur naturel Clostridium beijerinckii NRRL B593 et avec des souches modifiées de Clostridium. acetobutylicum ATCC 824. En culture discontinue, la souche C. beijerinckii NRRL B593 excrétait 13.2 g/L d'IBE (dont 4,5 g/L d'isopropanol). Afin d'améliorer la production d'IBE, le gène codant pour l'alcool déshydrogénase secondaire (s-Adh) de NRRL B593, ainsi que différentes combinaisons des gènes des enzymes actives de la conversion de l'acétoacétyl-CoA en acétone, c.-à-d. l'acétoacétyl-CoA acétate/butyrate transférase (ctfA et ctfB) et l'acétoacétate décarboxylase (adc), ont été exprimées dans la souche productrice d'ABE (acétone, butanol éthanol), C. acetobutylicum ATCC 824. Les résultats montrent que la sur-expression des gènes ctfA et ctfB augmentait significativement la productivité et les concentrations finales en IBE tandis que la surexpression du gène adc n'avait qu'un effet limité. Cultivée en discontinu, la meilleure souche, exprimant les gènes adh, ctfA, ctfB et adc a produit 24.4 g/L d'IBE dont 8.8 g/L d'isopropanol avec une productivité de 0.7 g/L h. Cultivée en mode continu à un taux de dilution de 0.1 h-1, la productivité en IBE a été portée à 1.7 g/L h. Puisque le mélange IBE est considéré comme un additif carburant de qualité, les transformants obtenus constituent une avancée réelle vers le développement d'un procédé IBE industriel de production de biocarburants.

  • Titre traduit

    Production of isopropanol, butanol and ethanol by metabolic engineered Clostridia


  • Résumé

    Over the past decades, the IBE fermentation (isopropanol, butanol and ethanol) has received a renew interest for the production of fuels or biochemicals from renewable materials. In the present study, we have investigated the IBE fermentation using the natural producer C. beijerinckii NRRL B593 and genetically-modified strains of Clostridium acetobutylicum ATCC 824. In batch culture, C. beijerinckii NRRL B593 was found to excrete 13.2 g/L IBE of which 4.5 g/L was isopropanol. To increase IBE production, the gene coding the secondary alcohol dehydrogenase (s-Adh) of C beijerinckii NRRL B593 and different combinations of genes coding for enzymes active in acetoacetyl-CoA to acetone conversion i.e. acetoacetate decarboxylase (adc) and acetoacetyl-CoA: acetate/butyrate: CoA transferase subunits A and B (ctfA and ctfB) were expressed in the ABE (acetone, butanol ethanol) producer C. acetobutylicum ATCC 824. Results showed that the overexpression of the ctfA and ctfB genes significantly increased both speed and extent of the IBE production while the overexpression of the adc gene had only a little effect. In batch culture, the best mutant (expressing adh, ctfA, ctfB and adc) produced 24.4 g/L IBE (of which 8.8 g/L was isopropanol) and displayed an IBE productivity of 0.7 g/L h. Cultivated in continuous mode at the dilution rate of 0.1 h-1, IBE productivity was increased to 1.7 g/L h IBE. As the IBE mix has been considered as a valuable fuel additive, the transformants obtained are a real step forward towards the development of an industrial IBE process for biofuel production.


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