Modélisation de la croissance et de la production de thiolutine par Saccharothrix algeriensis en fermenteur batch

Modelling of growth and thiolutin production by Saccharothrix algeriensis in batch fermentor

• Auteur / Autrice : Coline Loustaunau
• Direction : Xuân-Mi Meyer, Florence Mathieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des Procédés et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 18/11/2015
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie chimique (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Delaunay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xuân-Mi Meyer, Florence Mathieu, Cédric Brandam, Daniel Goujot, Caroline Strub, Olivier Baudoin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Delaunay, Jean-Michel Reneaume

Mots clés

Mots clés contrôlés

Organismes producteurs d'antibiotiques

Bactéries

Métabolisme secondaire

Mots clés libres

Saccharothrix algeriensis

Actinomycetes

Dithiolopyrrolones

Modélisation stœchio-cinétique

Métabolisme secondaire

Cinétiques macroscopiques

Stoichio-kinetic modelling

Secondary metabolism

Macroscopic kinetics

Résumé

Saccharothrix algeriensis est une bactérie filamenteuse capable de produire différentes molécules de la famille des dithiolopyrrolones présentant des activités antibiotiques et anticancéreuses. Ce travail porte sur l’analyse macroscopique et la modélisation du comportement dynamique de cette bactérie en vue de concevoir et d’optimiser un procédé de bioproduction de thiolutine. Les expériences menées en fermenteur de deux litres ont permis de décrire le comportement macroscopique de Sa. algeriensis. Sur substrat mixte (extrait de levure et glucose), la bactérie présente une croissance diauxique. La production de thiolutine, découplée de la croissance, est provoquée par l’épuisement du substrat préférentiel (extrait de levure). L’analyse des bilans carbone, azote et rédox nous a conduit à considérer deux phénomènes physico-chimiques qui n’étaient pas pris en compte dans le modèle proposé par Strub (2008) : l’entrainement de l’ammonium dans la phase gazeuse et l’adsorption des ions ammonium et des acides aminés sur la biomasse. Les données réconciliées sur la base des bilans élémentaires sont utilisées comme support pour la construction d’un modèle stœchio-cinétique. Différentes approches de modélisation des cinétiques et de représentation des bascules métaboliques ont été testées afin de retenir un schéma stœchio-cinétique apparent cohérent avec les données réconciliées. Cette étape de discrimination a été réalisée à l’aide de la toolbox ExOptim, développée en partenariat avec AgroParisTech. Cet outil, alliant une méthode d’optimisation robuste tout en limitant les temps de calcul, permet de prendre en compte les erreurs de mesure dès la mesure initiale et de reparamétrer indépendamment les paramètres du modèle et les données expérimentales. Les cinétiques réactionnelles sont représentées de manière satisfaisante par l’association du modèle de Monod et la loi logistique. Les seize paramètres du modèle sont identifiés sur sept expériences indépendantes. Le modèle finalement obtenu est ensuite testé sur cinq nouvelles expériences aux conditions initiales différentes. Ce modèle permet de prédire raisonnablement les cinétiques de croissance et de production de thiolutine. Toutefois, son utilisation reste limitée à des conditions initiales proches de celles de cette étude.

Saccharothrix algeriensis is a filamentous bacterium that produces several dithiolopyrrolone compounds with antibiotic and antitumor properties. This study focuses on the macroscopic analysis and modelling of the dynamic behaviour of this bacterium, in order to design and optimize the bioproduction process of thiolutin. Experiments were conducted in a two-litres bioreactor to characterise the macroscopic behaviour of Sa. algeriensis. On a medium containing several substrates (yeast extract and glucose), the bacterium shows a diauxic growth. Thiolutin production, which appears to be dissociated from growth, is triggered by the preferential substrate (yeast extract) depletion. The analysis of the carbon, nitrogen and redox balances led us to consider two physicochemical phenomena, which were not taken into consideration in the model proposed by Strub (2008): ammonium stripping in gaseous phase and adsorption of ammonium ions and amino acids on biomass. The data, reconciled on the basis of elementary balances, were used for the construction of a stoichio-kinetic model. Different modelling of kinetic and metabolic switches were tested in order to select a stoichio-kinetic model consistent with the reconciled data. This discrimination step was carried out using the ExOptim toolbox, developed in partnership with AgroParisTech. This toolbox combines a robust optimisation method and a reduced computation time. The experimental biases are taken into account from the first measurement and model parameters and experimental data reconditioned independently. The reaction kinetics are well represented by association of the Monod model and logistic laws. The sixteen model parameters were estimated from seven experiments. Finally, the model was validated by five additional experiments using different initial conditions. The kinetics of growth and thiolutin production are reasonably well predicted. However, the model is limited to initial conditions close to those of this study.