Procédés de biosynthèse de composés phénoliques dérivés de la vanilline par bioconversion d'eugénol

Phenolic compounds production using eugenol as substrate

• Auteur / Autrice : Fanny Lambert
• Direction : Danièle Reichhart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 29/11/2013
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des Sciences de la vie et de la santé (Strasbourg ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie moléculaire des plantes (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Hugues Dreyssé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Taillade, Danielle Haug
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Marc Jeltsch, Laurence Lesage-Meessen, Pierre Monsan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vanilline

Biosynthèse

Expression génique

Biotechnologie

Induction enzymatique

Mots clés libres

Vanilline

Bioconversion

Eugenol

Biocatalyseur

Bioconversion

Heterologous expression

Vanillin

Flavour

Résumé

La vanillyl alcool oxydase est un biocatalyseur prometteur d’un point de vue réactionnel en raison de sa faible sélectivité sur les composés phénoliques substitués en position para. Elle catalyse l’oxydation d’une large gamme de dérivés 4-hydroxybenzylique, des réactions de déméthylation oxydative, de désamination, de déshydrogénation et d’hydroxylation ; notamment celle de l’eugénol. L’hydroxylation de ce dernier conduit à la formation d’alcool coniférylique. Dans le but d’utiliser l’eugénol comme substrat de biosytnhèse de dérivés vanilliques, nous avons développé, au cours de ce travail de thèse, deux souches exprimant le biocatalyseur d’intérêt : une souche de levure et une souche bactérienne.La première partie de la thèse a donc consisté à mettre au point un système d’expression pour la production de VAO dans la levure de boulanger et un procédé d’hydroxylation de l’eugénol en fermenteur. Le principal apport réside dans la construction de la souche 93645, qui contient la cassette d’expression VAO et une activité oxydase propre permettant la bioconversion de l’alcool coniférylique formé en acide férulique. En fonction des conditions de fermentation, 20 g/l d’alcool coniférylique ou 27 g/l d’acide férulique sont produits par les cultures de S. cereviaise- VAO 93645. La reproductibilité des procédés, ainsi que leur faisabilité à l’échelle pilote, ont été démontrés.Dans la seconde partie de cette étude, le même travail de clonage a été réalisé dans la souche Amycetales Streptomyces setonii ATCC 39116. La bactérie, reclassifiée en 2009 sous le nom d’Amycolatopsis sp 39116, est connue pour sa capacité à bioconvertir l’acide férulique en vanilline ; d’où l’intérêt d’exprimer l’enzyme VAO dans cette souche. Plusieurs stratégies de clonage ont été expérimentées et une souche recombinante, exprimant une activité VAO active a été obtenue. Les conditions optimales pour l'utilisation de cette dernière dans le cadre de la production de vanilline et d’alcool coniférylique ont été identifiées. Elles conduisent à la biosynthèse de 0,4 g/l vanilline et de 15 g/l d’alcool coniférylique. Les résultats mettent en évidence une activité insuffisante des oxydases de Streptomyces sur l’alcool coniférylique formé. Ce type de production n’a encore jamais été réalisé chez S. setonii et ces premiers résultats demandent encore des mises au point avec, sans doute, le clonage d’oxydases hétérologues permettant la bioconversion de l’alcool coniférylique formé en acide férulique.

Our aim was to develop a process for the biosynthesis of vanillin derivatives from eugenol.Vanillyl alcohol oxidase isolated from Peniciiiium simplissicimum, catalyzes the hydroxylation of eugenolinto coniferyl alcohol. In this study, two strains expressing the biocatalyst were constructed: a yeast,Saccharomyces cerevisiae, and a bacteria; Streptomyces setonii.It has been demonstrated that the wild strain Saccharomyces cerevisiae can bioconvert coniferyl alcohol, most probably due to its dehydrogenase activity. Strain 93645, genetically modified to expressvanillyl-alcohol oxidase, enabled us to optimize an industrial scale process for the production of natural ferulic acid.Streptomyces setonii strain ATCC 39116 was also genetically engineered to over-express VAO. Abioconversion process was developed leading to a coniferyl alcohol concentration of 15 g/1 coniferyl alcohol. The impact of several parameters; such as temperature, substrate addition mode and pH, werealso explored to improve the bioconversion reaction of coniferyl alcohol to vanillin. The amounts of product resulting from bacterial biosynthesis were however too low for implementation of an industrial process.