Metabolic characterization of an adaptively evolved cell factory for continuous production of 1.3-propanediol and development of a new catalyst for 1.3 propanediol and acetone co-productions

par Liang Tian

Thèse de doctorat en Biotechnologie

Sous la direction de Isabelle Meynial et de Daniel Thomas.

Soutenue le 19-02-2014

à Compiègne , dans le cadre de École doctorale 71, Sciences pour l'ingénieur (Compiègne) .

  • Titre traduit

    Caractérisation métabolique de l'évolution adaptive d'une souche d'E. coli ingénieurée pour la production continue de 1.3 propanediol et création de nouvelles voies métaboliques pour la co-production de 1.3 propanediol et d'acétone


  • Résumé

    Les micro-organismes ont la capacité de s'adapter rapidement aux différentes contraintes environnementales ou métaboliques, mais le mécanisme détaillé et les principes de cette réponse adaptative en micro-organisme sont mal compris aux niveaux génétiques, biochimiques et métaboliques. Ici, une souche de E. coli a évolué avec un titre élevé de 1,3-propanediol a été sélectionné et cette souche a été analysée comme un exemple pour la découverte de ce processus d'évolution adaptative. La technologie de séquençage comparatif du génome entier a été utilisée pour identifier les mutations génétiques dans le chromosome et le plasmide portant les gènes codant pour la voie de production de 1,3-propanediol a également été séquencée. Quatre mutations ont été trouvées dans le chromosome et ils sont Ipd, glpR, dhak, nagD - promoteur. Une mutation a été trouvée dans le gène GGP2, qui est situé dans le plasmide. Toutes les mutations ont été en outre caractérisées par analyse génétique et inverse biochimique et leur influence dans le réseau métabolique sont aussi découverts. Nous avons démontré que tous les cinq mutations individuellement peuvent augmenter le taux de croissance et la production de 1,3 -propanediol. Selon le profil de fermentation de la souche évolué, l’accumulation d'acétate entravé la croissance de la souche et de l'augmentation de 1,3-propanediol titre. Pour optimiser la production de 1,3- propanediol, un nouveau catalyseur a été développé pour la co-production de 1,3-propanediol avec de l'acétone au lieu de l'acétate, parce que l'acétone a une plus grande valeur et est moins toxique que l'acétate. Les deux voies de l'acétate, dépendantes et indépendantes, ont été testées pour la co-production de 1,3-propanediol et l'acétone dans des conditions anaérobies. Pour la voie de l'acétate dépendante, en modifiant le niveau d'expression de l'acétate kinase cette voie était active dans des conditions anaérobies dans E. coli. Pour la voie de l'acétate indépendant, une courte chaîne acyl-CoA thioestérase candidat a été sélectionné et caractérisé, mais son activité doit encore être améliorée en utilisant l'évolution adaptative ou la sélection in vitro. Pour l'évolution adaptative, le réseau métabolique était rationnel conçu pour forcer de flux de carbone à la production d'acétone, ce qui va augmenter la possibilité et l'efficacité de la sélection d'une thioestérase avec une affinité et une activité élevée à l'acétoacétyl -CoA au cours du processus d’évolution adaptative. Pour la sélection in vitro, un système de bio-sensor a été développé afin de simplifier la méthode de sélection d'une thioestérase mutant avec une grande capacité de catalyser l'acétoacétyl -CoA in vitro.


  • Résumé

    Microorganisms have the ability to adapt rapidly to different environmental or metabolic constraints, but the detailed mechanism and the principles of this adaptive response in microorganism is poorly understood at the genetic, biochemical, and metabolic levels. Here, the glycerol pathway from S. cerevisiae and the B12-independent C. butyricum 1,3-PD pathways were introduced into E. coli and its central metabolic network was restructured to couple the production of 1.3-propanediol to the growth of the microorganism. This strain was grown in conditions favouring adaptive evolution for around 1000 hours. An evolved population was selected under optimal conditions in mineral medium. Comparing with the original strain, it can convert glucose to 1.3-PD at high molar yield (94 %) and its productivity was also significantly increased. Comparative whole genome sequencing technology was used to identify the genetic mutations and five mutating genes lpd, glpR, dhaK, nagD and GPP2 were discovered. All the mutations were further analysed and characterized to disclose their changes after the evolution and to elucidate their influence in the whole metabolic engineering network. To optimize the production of 1.3-PD further, we plan to convert the co-production of acetate to acetone. Indeed, the 1.3 propanediol production was hampered by the acetate inhibition on growth, and acetone is a valuable product which is less toxic thyan acetate. Both the acetate-dependent and independent pathways were tested to produce acetone and some modifications to adapt the global metabolic network were performed. Several strategies were applied to ameliorate the performance of acetone production. Finally, the bottleneck of the acetate-dependent acetone pathway under anaerobic condition was indentify and the acetate-independent acetone pathway still need to be improve with the selection of an evolved or mutant enzyme with high short-chain acyl-CoA thioesterase activity.

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