Production de succinate par Corynebacterium glutamicum en microaérobiose : approches expérimentales et numériques, de l’échelle métabolique au bioréacteur

Succinic acid production by Corynebacterium glutamicum in micro-aerobic conditions : experimental and numerical approaches, from metabolic scale to bioreactor

• Auteur / Autrice : Amani Briki
• Direction : Stéphane Delaunay, Frantz Fournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Procédés biotechnologiques
• Date : Soutenance le 12/03/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIMPPé - Sciences et ingénierie des molécules, des produits, des procédés, et de l'énergie (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Jorand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Delaunay, Frantz Fournier, Audrey Soric, Catherine Béal, Carine Bideaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Audrey Soric, Catherine Béal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Succinates

Métabolisme

Cinétique chimique

Glucose

Acide succinique

Aérobiose

Corynebacterium glutamicum

Mots clés libres

Succinate

Corynebacterium glutamicum

Microaérobiose

Glucose résiduel

Modélisation cinétique

Modélisation métabolique

Succinate

Corynebacterium glutamicum

Micro-aerobiosis

Residual glucose

Kinetic modeling

Metabolic modeling

Résumé

Le succinate est classé parmi les 12 principaux précurseurs chimiques à fort potentiel industriel. Cet acide, classiquement produit par l’intermédiaire de procédés chimiques, peut être aussi obtenu par voie microbiologique. Corynebacterium glutamicum, utilisée pour la production industrielle d’acides aminés, est ainsi capable de produire des acides organiques, dont le succinate, en microaérobiose ou en anaérobiose. L’objectif de cette thèse a donc été la compréhension de la réponse physiologique de C. glutamicum vis-à-vis du changement des conditions d’oxygénation. Des outils expérimentaux et numériques ont été mis en œuvre. Une étude expérimentale a pu montrer que l’oxygénation et la disponibilité en glucose sont des paramètres clés pour la production de succinate. Le ratio OUR/GUR, représentatif de ces deux paramètres, a été choisi comme indicateur de l’état physiologique de cette bactérie en microaérobiose. Pour un OUR/GUR inférieur à 1, la production d’acides organiques est effective alors que pour une valeur supérieure, seule la croissance est observée. La production maximale de succinate a été mesurée dans les conditions d’oxygénation les plus faibles, correspondant au ratio le plus faible (0,17). De plus, une reconsommation du succinate produit a pu être mise en évidence lorsqu’une concentration résiduelle seuil en glucose était atteinte. En s’appuyant sur ces observations, un procédé semi-continu performant de production de succinate avec une souche non modifiée génétiquement de C. glutamicum a pu être mis en œuvre. Un modèle cinétique capable de prédire les cinétiques de croissance, de consommation du substrat et de production des acides organiques, dans différentes conditions d’oxygénation, a ensuite été établi. Ce modèle initial a pu être généralisé tout en conservant une très bonne concordance entre les résultats de simulation et les données expérimentales. Le modèle a également pu être transposé, avec succès, à une souche mutante de C. glutamicum 2262. Enfin, un modèle métabolique simplifié a été construit pour C. glutamicum 2262 afin de prédire les flux intracellulaires permettant de comprendre son adaptation métabolique dans des environnements déficients en oxygène et/ou en source de carbone. Ce modèle a permis de prédire, en conditions stationnaires, les flux de production de lactate dans des niveaux d’oxygénation faibles ainsi que la production de biomasse dans certaines conditions d’aérobiose. Il a également été capable de simuler, en conditions dynamiques, des concentrations en succinate dans des conditions d’oxygénation faibles et ce, chez les deux souches étudiées.

Succinate is a diacid used nowadays as a building block in the synthesis of various molecules of interest. It is mostly produced by chemical synthesis. A part of succinate is industrially produced using a microbiological process. Corynebacterium glutamicum, a well-known industrial producer of amino acids, is able to produce organic acids, in particular succinate, under micro-aerobic and anaerobic conditions. The aim of this work was thus to understand the physiological response of C. glutamicum 2262 to change in oxygen supply conditions. Both experimental and numerical tools have been implemented. The first step was to identify, experimentally, the parameters influencing the physiological response of C. glutamicum 2262 during batch and continuous cultures. This approach allowed to identify oxygenation level and residual glucose concentration as key parameters for organic acids production. The ratio OUR/GUR was also defined as a relevant indicator of the physiological state of C. glutamicum 2262. It was observed that organic acids were simultaneously produced during micro-aerobic phase corresponding to ratio below 1, whereas, above this value, a maximal growth was obtained. The maximal succinate production was obtained at the lower oxygenation level. Moreover, a re-consumption of the produced succinate was also observed when a threshold residual concentration of glucose was reached. Considering the influence of these two key parameters, a highly performant fed-batch process for the succinate production using a wild-type strain of C. glutamicum was defined. Then, a kinetic model was developed. This primary model was then generalized by integrating a correlation between kinetic parameters of model and oxygenation level. The results of both primary and generalized model simulation, showed an excellent agreement with the experimental data. The generalized model was then successfully transposed to a C. glutamicum mutant strain. In addition, a simplified metabolic model for C. glutamicum 2262 was constructed to understand the metabolic response of this bacterium in micro-aerobiosis. Both predicted production fluxes of lactate in microaerobiosis and of biomass synthesis during aerobiosis phase, under stationary conditions, agreed with the experimental data. This metabolic model was also able to predict, under dynamic conditions, the concentration profiles of the succinate during highly limited oxygen supply conditions.