Amélioration génétique de souches de Clostridium pour la production d'alcool isopropylique

Genetic improvement of Clostridium for the production of isopropyl alcohol.

• Auteur / Autrice : Hadrien-Félix Mate De Gerando
• Direction : Nicolas Lopes Ferreira
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 03/12/2015
• Etablissement(s) : Paris, AgroParisTech
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Agriculture, Alimentation, Biologie, Environnement, Santé (Paris ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Renault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Lopes Ferreira, Edward Green, Ana Lopez-Contreras
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Henri-Pierre Fierobe, Évelyne Forano
• DOI : 10.70675/1dc8c2bdz895dz4402zbbfazb65c2e14db1c

Mots clés

Mots clés libres

Clostridium

Génie génétique

Fermentation

Ingénierie métabolique

Alcool isopropylique

Brassage multi-parental

Mutagenèse aléatoire

Séquençage

Etude transcriptomique

Clostridium

Genetic improvment

Fermentation

Metabolic engineering

Isopropyl alcohol

Genome shuffling

Random mutagenesis

Sequencing

Transcriptome

Résumé

Les alcools produits par fermentation sont des intermédiaires chimiques valorisables dans de nombreux domaines d'applications tels que les carburants, la pétrochimie ou la cosmétique. A l'échelle industrielle, il peuvent remplacer totalement ou partiellement des produits aujourd'hui obtenus à partir de ressources fossiles et par voie chimique. Certaines souches de micro-organisme du genre Clostridium sont capables de synthétiser et excréter des ''solvants'' à partir de sucres au cours d'un processus de fermentation. Ces voies fermentaires souffrent encore de nombreuses limitations ne leur permettant pas d'être économiquement viables. Les rendements à partir de sucres sont relativement faibles et les souches de Clostridium disponibles aujourd'hui sont peu sélectives. La majorité d'entre elles produisent de l'acétone, du butanol et de l'éthanol comme produits finaux (voie ABE) mais elles sont également capables après optimisation par génie génétique de produire d'autres solvants. Construire et optimiser de telles souches industrielles permettraient donc de produire des molécules plate-formes (ou synthons) biosourcées qui présentent des fonctionnalités équivalentes aux molécules d’origine pétrochimique. S'appuyant sur une première thèse effectuée en collaboration entre IFPEN et l'Université de Wageningen (Pays-Bas), cette demande de thèse vise à l'obtention d'une souche de Clostridium optimisée pour la production d'une molécule ''socle''. Le travail sera toujours effectué en étroite collaboration avec l'Université de Wageningen qui possède les compétences nécessaires en génétique de Clostridium (séjour longue durée de l'étudiant). L'objectif principal de cette nouvelle thèse sera d'améliorer la robustesse et la sélectivité de la souche tout en assurant des performances (rendement/productivité) suffisantes pour envisager de construire à terme une souche industrielle. Les optimisations se feront à l'aide des outils génétiques déjà employés au cours de la première thèse (Targetron) mais d'autres systèmes seront également évalués.

Isopropyl alcohol (IPA) is a chemical intermediate used in a wide field of applications such as fuels, petrochemistry or cosmetics. Its industriaI production is currently performed via a chemical route (hydratation of propene) from fossils resources. A biosourced alternative is to produce isopropanol from sugars by a biological route. Actually, some Clostridium strains are able to convert sugars into several solvents by a fermentative process. Dehydration of ''biological'' isopropanol leads to biosourced propylene. Nevertheless, this biological route still suffers from numerous constraints to be economically viable. The yields obtained from sugar conversion are low and the selectivity of the available strains may be poor . Most of them produce Acetone, Butanol and Ethanol as final products (ABE) but some strains are able to reduce acetone to Isopropanol thanks to a secondary-alcohol dehydrogenase (IBE strains). The presence of co-products (butanol and ethanol) increases the difficulties for the separation and extraction of isopropanol from the fermentation broth. The construction of an industrial strain able to selectively produce this molecule would result in important economic gains, especially on separation steps. The growing interest for this molecule has motivated numerous researches on the improvements of yield and selectivity and on the tolerance of strains to solvents produced. On the basis of a first thesis performed at both IFPEN and FBR of Wageningen (Netherlands), this proposal aims at pursuing the previous work with the construction of a Clostridium strain that will be optimized for the production of isopropyl alcohol. The main objective will be to improve the selectivity (by increasing the carbon flux to isopropanol at the expense of butanol) while maintaining global performances (yield / productivity) of the strain at a level sufficient to eventually consider an industrial strain. The construction of the new strain will be done with the use of genetic tools already employed (Targetron) but innovative systems such as Clostron, meganucleases or genome shuffling will also be investigated.