Quantification des contraintes métaboliques et physiologiques liées à la surproduction de protéines recombinantes par Escherichia coli : amélioration des performances et de la robustesse du système d'expression et du procédé de production

Quantification of metabolics and physiologics contraints related to overexpression of recombinants proteins in Escherichia coli : Optimisation of performances and robustness of expression system and production process

• Auteur / Autrice : Clement Patacq
• Direction : Fabien Letisse, Nicolas Chaudet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingenieries microbienne et enzymatique
• Date : Soutenance le 23/10/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• 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 - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Président / Présidente : Emmanuelle Bouveret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabien Letisse, Nicolas Chaudet, Stephane Delaunay, Johannes Geiselmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stephane Delaunay, Johannes Geiselmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme

Escherichia coli

Protéines recombinées

Mots clés libres

Protéines recombinantes

Protéines hétérologues

Procédé de production

Procédé discontinu

Escherichia coli BL21

Métabolisme

Métabolomique

Réponse stringente

PpGpp

PppGpp

Recombinants protéines

Heterologous proteins

Production process

Batch

Escherichia coli BL21

Metabolism

Metabolomic

Stringent response

PpGpp

PppGpp

Résumé

La production de protéines hétérologues permet de développer une nouvelle génération de vaccins. La bactérie Escherichia coli est l’un des organismes hôtes les plus utilisés pour la production de protéines hétérologues, appelées également protéines recombinantes. Le déclenchement de la production de protéine altère la croissance bactérienne en réponse à la réallocation des ressources métaboliques vers la synthèse de la protéine ; ce qui peut conduire à l’arrêt complet de la croissance. Le maintien de la croissance bactérienne durant la production de la protéine recombinante est pourtant essentiel pour améliorer significativement la quantité et la fonctionnalité des protéines produites. Dans une démarche rationnelle visant à développer un système biologique robuste et performant pour la production d’une grande diversité de protéines recombinantes chez E. coli, les contraintes métaboliques liées à leur production ont été quantifiées. A partir de ces résultats, le système d’expression T7 a été intégré à la régulation métabolique et traductionnelle de la bactérie E. coli BL21 (DE3) afin d’adapter la vitesse de production avec les capacités métaboliques de la souche. Ce nouveau système biologique de production a ainsi permis d’augmenter considérablement les quantités de protéines produites et offre la possibilité de développer de nouveaux procédés performants de production semi-continus et continus en milieu chimiquement défini.

The production of heterologous proteins offers the ability to develop a new generation of vaccines. The most used organism for the production of heterologous proteins, also called recombinant proteins, is the bacterium Escherichia coli. However, the induction of the production often alleviates the bacterial growth by the new allocation of metabolic resources toward the production of the recombinant protein. Even, this may also lead to growth arrest. The production of high quantities of functional recombinant proteins requires a good balance between of bacterial growth and production of the recombinant protein.In order to rationally develop a robust and an efficient biological system for the production of a large variety of recombinant proteins in E. coli, the metabolic constraints associated to their production have been quantified. From this observation, the T7 expression system has been integrated into the metabolic and translational regulation of the E. coli BL21 (DE3) in order to adjust as perfect as possible the protein production rate to the metabolic capacities of the strain. This new biological production system has made it possible to significantly increase the quantities of proteins produced and opens up the possibility of developing performant semi-continuous and continuous production processes in a chemically defined medium.