Description de la production de spiramycine par Streptomyces ambofaciens : modélisation métabolique, simulation et capteur logiciel

Description of spiramycin production by Streptomyces ambofaciens : metabolic modeling, simulation and software sensor

• Auteur / Autrice : Vincent Colombié
• Direction : Jean-Louis Uribelarrea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie et biocatalyse industrielles
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocapteurs

Streptomycétacées

Cultures microbiennes

Spiramycine

Stoechiométrie

Modèles mathématiques

Résumé

L'objectif de cette étude est le développement d'un outil mathématique permettant de décrire la dynamique de croissance et de production de métabolites secondaires par une bactérie filamenteuse. Avec le support biologique retenu, le modèle devrait décrire la production d'un antibiotique associée à la description du métabolisme central du microorganisme. Dans ce cas de figure, la voie de production correspond à un flux de matière minoritaire par rapport au flux de carbone total mais fait intervenir plusieurs précurseurs issus de voies très différentes du métabolisme central. La finalité est de construire un modèle pouvant d'une part, à partir de mesures acquises en ligne sur les procédés de production, identifier et quantifier les différentes phases de culture (croissance, maturation, production) et, d'autre part, apporter une aide à la compréhension déductive des évènements intervenant lors du screening à haut débit sur des microorganismes surproducteurs.

The aim of this study is the development of a mathematical model which can describe a microorganism growth dynamic as well as its secondary metabolites productions. Eventually, this model might :identify and quantify the various steps of the fermentation (growth, macromolecular change, production) from on-line measurments during the process. Help to understand the behavior of overproducing strains by means of simulation. The analysis of a metabolic network which includes the central and secondary metabolism pathways led to a structure able to describe the growth dynamic with on-line measurements only. However it appeared impossible to predict the antibiotic production using the latter so the stoichiometric model has to be coupled to a phenomenological model the structure of which has to be defined experimentaly. The experimental study involved :the design of a chemically defined culture medium. The characterization of kinetic parameters during various nutrient limitations (nitrogen, carbon). The study of the effect of minimal glycolytic flux and anabolic activity on the antibiotic production. The identification of intracellular reserves formation and a correlation between their catabolism and the production. In the range of its metabolic limits defined experimentaly, the model was developed to describe the formation of intracellular polymers and coupled to a simple phenomenological model to describe the spiramycin production kinetic. Replacing symbolic input variables either by metabolic constraints or by on-line measurements, a simulator of the production and a software sensor able to determine the various phases of the culture on-line are respectively built.