Etude de la fixation du carbone inorganique chez la levure pour la production industrielle de molécules d’intérêt

Study of inorganic fixation in yeast for the industrial production of molecules of interest

• Auteur / Autrice : Anne-Sophie Kirstetter
• Direction : Dominique Pareau, Behnam Taidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés
• Date : Soutenance le 22/01/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie des procédés et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Eric Dubreucq
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Pareau, Behnam Taidi, Henry-Éric Spinnler, Patricia Taillandier, Nicolas Fabre, Dominique Ibarra, Nicolas Lopes Ferreira
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Henry-Éric Spinnler, Patricia Taillandier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dioxyde de carbone

Fermentation

Saccharomyces cerevisiae

Mots clés libres

Levure

Ingénierie métabolique

Fermentation

CO2

Malate

Yeast

Metabolic engineering

Fermentation

CO2

Malate

Résumé

Ces dernières années ont vu un grand développement des biotechnologies blanches et de l'ingénierie métabolique avec l'objectif de remplacer les procédés de synthèse de molécules d’intérêt de l’industrie chimique classique par des voies de synthèse biologique. Dans ce contexte, les réactions anaplérotiques, qui produisent les acides dicarboxyliques, sont particulièrement intéressantes puisqu'au delà de la production de ces molécules d’intérêt elles permettent une fixation nette de carbone, réduisant ainsi l’impact environnemental des procédés. Ce travail de thèse a donc porté sur l'élaboration d'une stratégie d'ingénierie métabolique faisant appel à des réactions de fixation de carbone inorganique chez la levure pour la production d'acide malique, une molécule plateforme ayant de nombreuses applications industrielles. La levure Saccharomyces cerevisiae a été choisie comme hôte pour sa commodité d’utilisation dans les procédés industriels et ses nombreux outils génétiques. L'approche développée repose sur la mise en place d'une voie de production d'acide malique par surexpression de la phosphonéolpyruvate carboxylase d'Escherichia coli (PEPC), de la malate déshydrogénase peroxysomale de S. cerevisiae relocalisée dans le cytosol (MDH) et du transporteur d'acides dicarboxyliques de Schizosaccharomyces pombe. La souche de levure recombinante obtenue a été caractérisée lors d'essais en fioles, en présence notamment de carbonate de calcium pour assurer un apport de carbone inorganique. Ces essais ont permis de mettre en évidence un effet stimulant de l'apport de carbone inorganique sur la production de malate et d'obtenir des concentrations de malate de l'ordre de 2,5 g/L à partir de 50 g/L de glucose, pour un rendement maximal de 0,046 gramme de malate par gramme de glucose. Des essais en bioréacteur de 5 L en présence d'air ou d'air enrichi à 5% de CO2 ont montré un effet positif de l'apport de carbone inorganique sous forme de dioxyde de carbone sur la production de malate. La concentration maximale de malate obtenue est de 1,46 g/L à partir de 50 g/L de glucose, soit un rendement de 0,029 gramme de malate par gramme de glucose. Des souches intermédiaires exprimant la PEPC et la MDH obtenues pour la production de malate ont également été caractérisées pour la production d'éthanol, car elles semblaient présenter une augmentation du rendement de production d'éthanol par effet transhydrogénase par rapport à la souche sauvage. Les essais n'ont cependant pas permis de confirmer cette augmentation de rendement.

White biotechnologies have been developing quickly during the last decades, aiming at replacing chemical syntheses by biological processes for the industrial production of target compounds. In this context, the implementation of anaplerotic reactions in the metabolism is of great interest, since those reactions allow both production of dicarboxylic acids and direct fixation of inorganic carbon. This work is about the development of a metabolic engineering strategy using inorganic carbon fixation reactions to produce malic acid, a compound with various industrial applications. The yeast Saccharomyces cerevisiae was chosen as a host for its convenient use in industrial processes and the availability of genetic tools. The approach developed to produce malic acid is based on the overexpression of Escherichia coli phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC), S. cerevisiae peroxysomale malate dehydrogenase relocated in the cytosol (MDH) and Schizosaccharomyces pombe dicarboxylic acid carrier. A recombinant yeast strain expressing those three genes was obtained and characterised in shake-flasks experiments, involving more specifically calcium carbonate as an inorganic carbon source. Those experiments showed an enhancement of the malate production in the presence of calcium carbonate and allowed to obtain a concentration of 2.5 g/L from 50 g/L glucose, for a maximal yield of 0.046 gram malate per gram glucose. Fermentation experiments were performed in a 5 L bioreactor in the presence of air or 5% CO2 enriched air; they confirmed the positive effect of inorganic carbon addition as CO2 on malate production. A malate concentration of 1.46 g/L from 50 g/L glucose was obtained, giving a yield of 0.029 gram malate per gram glucose. Intermediate recombinant strains expressing PEPC and MDH were also characterised, for ethanol production, as they seemed to give increased ethanol yields, probably due to a transhydrogenase effect. Shake flasks and bioreactors experiments did unfortunately not confirm the yield improvement.