Metabolic engineering of clostridium acetobutylicum for the production of fuels and chemicals

• Auteur / Autrice : Ngoc phuong thao Nguyen
• Direction : Philippe Soucaille
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Microbienne et Enzymatique
• Date : Soutenance le 21/07/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques et Bioingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés / LISBP
• Jury : Président / Présidente : Amel Latifi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Soucaille, Jose luis Garcia lopez, Nigel Minton, Isabelle Meynial-Salles
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jose luis Garcia lopez, Nigel Minton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biocarburants

Butanol

Clostridium acetobutylicum

Mots clés libres

Ingénierie métabolique

C. acetobutylicum

Butanol

Cap0037

Metabolic engineering

C. acetobutylicum

Butanol

Regulatory network

Cap0037

Homologous recombination

Résumé

À l'heure actuelle, il y a un regain d'intérêt pour Clostridium acetobutylicum, le biocatalyseur du procédé Weizmann historique, pour produire le n-butanol un produit chimique de commodité et un bio-carburant alternatif et renouvelable . Ce mémoire de thèse décrit un procédé de recombinaison homologue, utilisant plasmide réplicatif, pour la délétion ou l'introdu ction de gènes chez C. acetobutylicum avec une élimination facile des marqueurs utilisés. La souche de C. acetobutylicum cacl502upp et ce système de recombinaison homologue ont été utilisés dans d'autres expériences d'ingénierie pour obtenir une souche produisant du n-butanol avec une sélectivité élevée et en éliminant la plupart des co-produits. Le mutant final, C. acetobutylicum (C. acetobutylicum CAB1060) a été généré avec succès. Cette souche CAB1060 a été utilisée dans un nouveau procédé de fermentation continu qui utilise i) l'extraction in situ des alcools par distillation sous pression réduite et ii) des cultures à haute densité cellulaire (et ne faisant pas intervenir de procédé membranaire) pour atteindre des titre, rendement et productivité en n-butanol qui n'ont jam ais été obtenus chez aucun micro-organisme.Un second procédé de recombinaison homologue utilisant un plasmide non réplicatif pour la modification de gène sans marqueur est également décrit dans le présent mémoire. Cette méthode permet d'inactiver simultaném ent deux gènes. Il a été utilisé avec succès pour la construction d'un mutant incapable de produire de l'hydrogène et utile, comme souche plate-forme, pour l'ingénierie de C. acetobutylicum pour produire en continu des produits chimiques de commodité et des bio­ carburants.

Current ly, there is a resurgence of interest in Clostridium acetobutylicum, the biocatalyst of the historical Weizmann process, to produce n-butanol for use both as a bulk chemical and as a renewablc alternative transportation fuel. This thesis describes a method of homologous recombination by replicative plasmid to delete or introduce genes in C. acetobutylicum . This method was successfull y used to delete genes, includin g CACJ502, CAC3535, CAC2879 (upp), to generate C. acetobutylicum. These strains are readily transformable without any previous plasmid methylation and can serve as hosts for a "marker-less" genetic exchange system. A mutant C. acetobutylicum (C. acetobuty licum CAB 1060) was successfully genera ted. This final mutant produces mainly bu tanol, with ethanol and traces of acetate at a molar rati o of 7:1 :1 . This CAB 1060 strain was subjected to a new continuous fermentation process using i) in situ extraction of alcohols by distillation under low pressure and ii) high cell density cultures to increase the titer, yield and productivity of n-butanol production to levels that have never been previously açhieved in any organism . A second homologous recombination method using non-replicative plasmid for marker less gene modification is also described in this thesis. This method allows the simultaneou s inactivation of two genes. lt has been successfully used to construct a mutant unable to produce hydrogen and useful, as a platform strain, for further engineering of C. acetobutylicum to continuously produce bulk chemicals and fuels.