XYLANFACTORY - Optimisation de la culture d'une bactérie thermophile en bioréacteurs pour la production d'hémicellulases et la valorisation des xylanes des biomasses lignocellulosiques

XYLANFACTORY - Optimization of the culture of a thermophilic bacterium in bioreactors for the production of hemicellulases and the valorization of xylans from lignocellulosic biomass

• Auteur / Autrice : Romain Bouchat
• Direction : Caroline Rémond, Frank Delvigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 20/09/2022
• Etablissement(s) : Reims en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fractionnement des Agro-Ressources et Environnement (FARE) - INRA UMR A 614 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Jacques
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Rémond, Frank Delvigne, Vincent Phalip, Mohamed Fadhel Ben Chaabane, Harivony Rakotoarivonina, Sandrine Alfenore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Phalip, Mohamed Fadhel Ben Chaabane

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrolyse

Enzymes

Biomasse

Hémicellulose

Mots clés libres

Lignocelluloses

Bactérie thermophile

Hémicellulases

Bioraffinerie

Cocktail enzymatique

Enzymatic cocktail

Hemicellulases

Thermophilic bacterium

Biorefinery

Lignocellulose

Résumé

La valorisation des hémicelluloses de la biomasse lignocellulosique est une étape clé du bioraffinage du végétal. L’utilisation d’enzymes lignocellulolytiques est une des voies utilisées pour l’hydrolyse des biomasses car elle est éco-responsable. Il est nécessaire de disposer d’enzymes efficaces et d’optimiser leur production. Cette thèse a pour objectif d’améliorer la production d’hémicellulases par une bactérie thermophile, Thermobacillus xylanilyticus. Cette bactérie hémicellulolytique sécrète extracellulairement une forte activité xylanase (de la famille GH11) mais cette activité a tendance à baisser au cours des cultures. La thèse s’est focalisée sur l’étude des facteurs populationnels impactant la chute de l’activité lors de cultures successives. Une dérive phénotypique menant à la présence d’une sous-population tricheuse a été identifiée comme responsable de la perte d’activité. Des stratégies de contrôle de la diversification phénotypique ont alors été établies. Elles ont été basées sur l’introduction de changements environnementaux (sources de carbone) ou en changeant l’état physiologique des cellules (âge des inocula) lors de cultures successives pour améliorer la production d’enzymes. A partir de ces approches, l’activité xylanase a pu être augmentée jusqu’à 15-fois en alternant la source de carbone. Les activités complémentaires β-xylosidase et acétyl estérase ont été augmentées en changeant l’âge de l’inocula (cellules en phase stationnaire). Dans la dernière partie de la thèse, la stratégie des changements environnementaux a été faite avec des cultures en ségrégostat ce qui a permis de contrôler la diversification phénotypique de la souche en bioréacteurs.

The valorization of hemicelluloses from lignocellulosic biomass is a key step in the biorefinery of plants. The use of lignocellulolytic enzymes is one of the ways used for the hydrolysis of biomasses because it is more eco-responsible. It is then necessary to have efficient enzymes and to optimize their production. This thesis aims to improve the production of hemicellulases by a thermophilic bacterium, Thermobacillus xylanilyticus. This hemicellulolytic bacterium secretes extracellularly a strong xylanase activity (from the GH11 family) but this activity tends to decrease during the cultivations. The thesis focused on the study of population factors impacting the fall of the activity during successive cultivations. A phenotypic diversification leading to the presence of a cheating subpopulation was identified as responsible for the loss of activity. Strategies to control phenotypic diversification were then established. They were based on the introduction of environmental changes (carbon sources) or by changing the physiological state of the cells (age of inocula) during successive cultivations to improve enzyme production. From these approaches, xylanase activity could be increased up to 15-fold by alternating the carbon source. The complementary activities β-xylosidase and acetyl esterase were increased by changing the age of the inocula (cells in stationary phase). In the last part of the thesis, the strategy of environmental changes was done with segregated cultures which allowed to control the phenotypic diversification of the strain in bioreactors.