Impact du dioxyde de carbone sur la levure Saccharomyces cerevisiae : caractérisation du transfert liquide/gaz et implications sur les métabolismes énergétiques

Carbon dioxide impact on Saccharomyces cerevisiae : study of the liquid/gas masstransfer and consequences on the energetics

• Auteur / Autrice : Lannig Richard
• Direction : Jean-Louis Uribelarrea
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Microbienne et Enzymatique
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• 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 (Toulouse) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés [LISBP]
• Jury : Président / Présidente : Stephane Guillouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Uribelarrea, Caroline Gentric
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Devin, Claude-Gilles Dussap

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métabolisme énergétique

Dioxyde de carbone

Respiration

Métabolisme

Saccharomyces cerevisiae

Mots clés libres

Dioxyde de carbone

Levure

Transfert

Effet Crabtree

Stress

Carbon dioxide

Yeast

Transfer

Crabtree effect

Stress

Résumé

L’objectif de ce travail est l’étude de l’impact du dioxyde de carbone (CO2) sur la physiologie et le métabolisme de la levure Saccharomyces cerevisiae, en particulier son impact sur le catabolisme oxydatif du glucose et son rôle dans le déclenchement de la transition respiro-fermentaire. Le CO2 est au coeur des interactions entre phénomènes biologiques et phénomènes physiques de transfert existant au sein d’un réacteur biologique. La compréhension de son impact sur la physiologie de la levure nécessite la connaissance de sa concentration en phase liquide et donc la maitrise des phénomènes de transfert interphasiques.Le transfert liquide / gaz du CO2 en fermenteur a été étudié par une approche couplant modélisation et expérimentation avec un effort particulier sur l’analyse intégrée des phénomènes biologiques et de transfert. En comparaison avec les hypothèses de transfert généralement admises une sursaturation du moût en CO2 dissous dans le moût a été observée lors de cultures de S.cerevisiae et attribuée à l‘existence d’une distribution asymétrique de tailles de bulles de la phase dispersée. Il a été démontré que le transfert liquide / gaz du CO2 lors d’une culture microbienne intensive ne peut être décrit par analogie avec le transfert gaz / liquide de l’oxygène et que la connaissance de la concentration en CO2 dissous ne peut être réalisée que par sa mesure directe.L’impact du CO2 sur le métabolisme oxydatif de la levure a été investigué par le suivi de la réponse dynamique de la réponse à différents incréments mesurés de la concentration en CO2 dissous en culture continue. Cette réponse est constituée d’une réponse transitoire et intense et d’une réponse à long-terme plus modérée Elle se caractérise par l’impact du CO2 sur l’énergétique cellulaire en augmentant la génération et la dissipation d’énergie ce qui est traduit à court-terme par une augmentation transitoire de +24 à +37 % des vitesses spécifiques de respiration lors d’échelons de la concentration en CO2 dissous de +2.96 et +5.29 mM et à long-terme par une diminution de 18% YATP de % lorsque la concentration en CO2 dissous augmente de 1.6 mM à 17 mM. L’effet du CO2 sur la transition respiro-fermentaire a été étudié en culture de type accélérostat en présence d’une concentration élevée en CO2 dissous. Dans ces conditions, la bascule vers le métabolisme réductif est obtenue pour un taux de croissance (0.122 h-1) et des vitesses spécifiques de respiration (5.2 mmoleO2.gX-1.h-1) inférieurs aux valeurs obtenues avec un accélérostat sans apport exogène de CO2 (0.256h-1 et 8.65 mmoleO2.gX-1.h-1) respectivement. Cette modification du métabolisme n’a pu être corrélée directement à un déficit de potentiel énergétique oxydatif et semble probablement liée à une perte de flexibilité d’adaptation à la dynamique de variation de l’environnement.

The aim of this work was to evaluate the impact of carbon dioxide (CO2) on the physiology of the yeast Saccharomyces cerevisiae, more precisely on the oxidative metabolism and on the onset of alcoholic fermentation. CO2 is involved in the interactions between transfer phenomena and biological phenomena in fermenters. The knowledge of the dissolved CO2 concentration and then of the CO2 liquid / gas mass transfer phenomena is required to assess the impact of this compound on the yeast physiology.Investigation of CO2 liquid / gas in biological reactors has been carried out using simulations and experiments taking into consideration both biological and transfer phenomena. CO2 supersaturation was observed in an intensive fed-batch culture of S.cerevisiae and may be caused by an asymmetric bubble size distribution of the gas phase. We demonstrated that CO2 liquid / gas transfer cannot be described based on O2 gas / liquid transfer and that CO2 concentration must be estimated through direct measurement.The impact of CO2 on the oxidative metabolism of S.cerevisiae was investigated using chemostat cultures submitted to different step-increases of the dissolved CO2 concentrations with direct measurement of the dissolved CO2 concentration. The yeast culture showed a transient response with an increase of the specific respiration rates ranging from with a +24 to +37 % during + 2.96 mM and+5.29 mM dissolved CO2 step-increases. This transient response was followed by a long-term response characterized by a decrease of the YATP value with increasing dissolved CO2 concentrations (down to -18% when the CO2 concentration increased from 1.6 mM to 17 mM).The impact of CO2 on the onset of the Crabtree effect in S.cerevisiae was investigated using the accelerostat technique with and without CO2 enrichment. The onset of alcoholic fermentation occurred at a much lower specific growth rate (0.122 h-1) and specific oxygen consumption rate (5.2 mmoleO2.gX-1.h-1) in CO2 enriched conditions than without CO2 enrichment (0.256h-1 and 8.65 mmoleO2.gX-1.h-1 respectively). These modifications may be linked with a decreased cellular adaptability to changing environment