Ingénierie Métabolique de Clostridium acetobutylicum pour l'utilisation de sucres issus de biomasse lignocellulosique

Metabolic engineering of Clostridium acetobutylicum for the use of lignocellulosic biomass-derived sugars

• Auteur / Autrice : Alexandre Delarouzée
• Direction : Nicolas Lopes Ferreira, François Wasels
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Soutenance le 03/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut français du pétrole Énergies nouvelles (Rueil-Malmaison, Hauts-de-Seine)
• Jury : Président / Présidente : Olga Soutourina
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillermina Hernandez-Raquet, Henri-Pierre Fierobe, Isabelle Martin-Verstraete
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillermina Hernandez-Raquet, Henri-Pierre Fierobe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tests de toxicité

Lignocellulose

Technique

Fermentation acétonobutylique

Analyse

Clostridium acetobutylicum

Génie industriel

Mots clés libres

Clostridium acetobutylicum

Ingénierie génétique

Sucres 2G

CRISPR-Cas9

Évolution Adaptative en Laboratoire

Séquençage d’Insertion de Transposon

Clostridium acetobutylicum

Genetic engineering

2G sugars

CRISPR-Cas9

Adaptive Laboratory Evolution

Transposon-Insertion Sequencing

Résumé

Les bactéries solvantogènes du genre Clostridium ont la capacité de fermenter les différents sucres extraits de la biomasse lignocellulosique afin de produire des molécules chimiques d’intérêt tel que l’acétone, le n-butanol et l’isopropanol. Elles représentent donc une alternative prometteuse dans le but de remplacer la pétrochimie par une approche biosourcée.Cependant, la possibilité d’utiliser de telles souches au sein de procédés industriels basés sur l’utilisation de biomasse lignocellulosique est encore limitée par plusieurs aspects. L’utilisation de différents sucres par l’organisme modèle Clostridium acetobutylicum est soumise à un phénomène de répression catabolique. Le glucose étant utilisé préférentiellement par rapport aux pentoses, les rendements fermentaires obtenus lors de fermentations continues de différentes sources carbonées sont limités. De plus, le prétraitement de la biomasse lignocellulosique libère des composés toxiques pour la cellule qui vont entraver sa croissance.Ces différentes problématiques ont été abordées au cours de cette thèse. Premièrement, des approches de mutagénèse dirigée ont permis de mieux comprendre et de moduler les mécanismes moléculaires impliqués dans le phénomène de répression catabolique. En parallèle, une approche d’évolution adaptative de C. acetobutylicum a permis d’obtenir de mutants possédant une meilleure tolérance aux composés toxiques présents dans les jus liquides de lignocellulose. Enfin, une étude de l’essentialité des gènes de C. acetobutylicum réalisée par Transposon Insertion Sequencing, a donné accès à de précieuses informations sur l’organisation génétique de cet organisme modèle des Clostridium solvantogènes.Ces résultats combinés permettront à terme de concevoir des micro-organismes possédant de meilleures capacités de fermentation de substrats issus de biomasse lignocellulosique.

Solventogenic strains belonging to the Clostridium genus can use sugars derived from cellulosic biomass to produce different chemicals, such as acetone, n-butanol, and isopropanol. Therefore, they represent a promising alternative to replace petrochemistry with biobased solutions.However, the possibility of using such strains in industrial processes converting lignocellulosic biomass still faces limitations. In the model strain Clostridium acetobutylicum, the use of sugar is subject to catabolic repression, with glucose being preferentially used over pentoses, limiting the fermentation yields of continuous cultures. Moreover, pre-treatment of lignocellulosic biomass releases compounds that are toxic to the cell, preventing efficient microbial growth.The aim of this PhD program was to address both problems. Site-directed mutagenesis was undertaken to better understand the molecular mechanisms involved in catabolic repression, through the characterization of modified strains. In parallel, an adaptive laboratory evolution was applied to C. acetobutylicum, allowing the isolation of mutants which present an increased tolerance towards toxic compounds contained in liquid lignocellulose hydrolysates. Finally, gene essentiality was determined by Transposon Insertion Sequencing, providing valuable information on this model organism.Taken together, these results allow to consider the use of C. acetobutylicum as an efficient microorganism for the conversion of sugars extracted form cellulosic biomass into chemicals of interest.