Thèse soutenue

Remaniement du métabolisme carboné central microbien pour une conversion des sucres lignocellulosiques en acide glycolique avec une conservation optimale du carbone
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Auteur / Autrice : Clea Lachaux
Direction : Jean-Marie François
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Ingénieries Microbienne et Enzymatique
Date : Soutenance le 20/09/2018
Etablissement(s) : Toulouse, INPT
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'ingénierie des systèmes biologiques et des procédés (Toulouse)
Jury : Président / Présidente : Muriel Gondry
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marie François, Fabien Letisse, Madeleine Bouzon-Bloch
Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Jules, Johannes Geiselmann

Mots clés

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Résumé

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L’acide glycolique (AG) est synthétisé à l’échelle industrielle à partir de formaldéhyde toxique dont toute trace est interdite dans les produits cosmétiques et médicaux. Sa production par fermentation microbienne présente un grand intérêt industriel. La lignocellulose est la source de carbone renouvelable la plus abondante sur terre, son hydrolyse libère principalement des hexoses (i.e D-glucose) et des pentoses (i.e D-xylose,L-arabinose). Les procédés microbiens de valorisation de la lignocellulose pour la production d’AG existants requièrent la combinaison de voies métaboliques optimisées pour l’assimilation des pentoses ou des hexoses. Conformément aux principes d’ingénierie métabolique les rendements de ces voies ont été maximisés en augmentant le flux vers l’AG et en réduisant la formation de sous-produits. Étonnement, aucune de ses études ne considère la production de CO2 comme une perte de carbone majeure pour la production. Nous proposons de développer une nouvelle voie métabolique cyclique qui se démarque des procédés existants par sa capacité à convertir l’ensemble des sucres lignocellulosiques, avec la volonté de réduire l’émission de CO2. Cette thèse présente la conception et l’évaluation de deux approches répondant à cet objectif. La première approche repose sur l’utilisation de la voie synthétique ‘xylulose-1P’ (Xu1P) de conversion du D-xylose en AG (Alkim et al., 2015, 2016; Cam et al., 2016). Les pentoses (C5) et hexoses (C6) sont naturellement convertis dans E. coli en D-xylulose-5P (Xu5P) par la voie des pentoses phosphate (PP). L’expression d’une mutase ou phosphatase active sur le Xu5P rendrait la voie Xu1P accessible au D-glucose et L-arabinose. 7 phosphatases et 3 mutases bactériennes et levuriennes candidates ont été sélectionnées à cet effet. La deuxième approche présentée est entièrement originale. Le D-ribulose-5P (Ribu5P) est un métabolite commun au catabolisme des C5 et C6 dans E.coli , au même titre que le Xu5P. Nous avons identifié trois enzymes clefs ayant le potentiel de former une nouvelle voie de production d’AG à partir de Ru5P et ainsi valoriser les C5 et C6. Le métabolisme d’E.coli a été remanié pour s’affranchir de l’étape de décarboxylation du pyruvate et limiter la perte de carbone sous forme de CO2. Le rendement théorique maximal est de 3 mol d’AG par mol d’hexoses et 2,5 mol d’AG par mol de pentoses, il s’agit des plus hauts rendements rapportés à ce jour. L’évaluation de la faisabilité de ces deux approches a été réalisée sur la base de tests enzymatiques in vitro et de screening fonctionnels in vivo par test de croissance. La mesure de la croissance permet dans ce cas d’apprécier la capacité des enzymes étudiées à rediriger le flux de carbone vers l’AG. La deuxième approche a conduit à la conception d’une souche productrice qui a été caractérisée, nous avons démontré la production d’AG à partir de D-glucose (0,34 g/l) et D-xylose (0,4 g/L). Les suivis de croissance, l’analyse de l’endométabolome et de l’exométabolome et la réalisation d’un bilan carbone ont permis d’identifier les éléments limitants. Ces connaissances sont essentielles au développement d’un procédé de production d’AG valorisant de façon optimale l’ensemble des sucres lignocellulosiques