TECMI-4D - Techniques avancées de microscopie pour l’imagerie 4D de la déconstruction de la biomasse lignocellulosique.

TECMI-4D - Advanced techniques of microscopy for the imaging 4D of the demolition of the biomass lignocellulosique.

• Auteur / Autrice : Aya Zoghlami
• Direction : Gabriel Paës
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie moléculaire et cellulaire
• Date : Soutenance le 12/11/2019
• Etablissement(s) : Reims
• 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 : Examinateurs / Examinatrices : Gabriel Paës, Aurore Richel, Corentin Spriet, Nicolas Brosse, Séverine Humbert, Yassin Refahi, Christine Terryn, Laurent Lucas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aurore Richel, Corentin Spriet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomasse -- Analyse

Hydrolyse

Énergie de la biomasse

Biomasse végétale

Mots clés libres

Enzyme

Biomasse – lignocellulose – microscopie – dynamique – enzyme

Imagerie

Modélisation

Biomass - lignocellulose - microscopy - dynamics - enzyme

Enzyme

Traitements d'image

Résumé

La biomasse lignocellulosique (BL) constitue une ressource renouvelable, pouvant être utilisée comme une alternative aux ressources fossiles pour produire de la bioénergie et des bioproduits. Cependant la BL est récalcitrante à l’hydrolyse enzymatique ce qui limite sa valorisation. Les marqueurs de récalcitrance qui ont été identifiés jusqu’à présent sont à l’échelle moléculaire et ne sont pas universels.L'objectif de cette thèse était d'identifier les paramètres responsables de la récalcitrance de la BL à différentes échelles. Pour atteindre cet objectif, nous avons d’abord étudié l’effet du prétraitement sur le peuplier. En mesurant les changements aux niveaux compositionnel, structural et spectral, nous avons identifié plusieurs paramètres tels que la durée de vie de la fluorescence, l'autofluorescence et la sphéricité qui sont fortement corrélés au rendement d'hydrolyse. Ensuite, afin d’identifier les marqueurs de récalcitrance à l’échelle cellulaire et tissulaire, nous avons développé un pipeline original d'imagerie 4D comprenant l’acquisition des images 3D d’échantillons de peuplier au cours de l’hydrolyse enzymatique, ainsi qu’une nouvelle méthode de segmentation des séries temporelles. Une analyse de corrélation quantitative nous a permis d’établir des corrélations entre les paramètres à l’échelle cellulaire et tissulaire et le taux de conversion de la cellulose. Nous avons montré que le taux de dégradation volumétrique de la paroi est fortement corrélé à la conversion de la cellulose au cours de l'hydrolyse enzymatique. De plus, la sphéricité de la paroi est négativement corrélée au taux de dégradation de la paroi qui peut être utilisée pour prédire la dégradabilité de la BL.Les résultats obtenus offrent des informations sur la récalcitrance à l'échelle nanométrique et micrométrique.Mots clés : biomasse lignocellulosique, récalcitrance, prétraitement, hydrolyse enzymatique, microscopie, imagerie 4D

Lignocellulosic biomass (LB) is a renewable resource from plants used as an alternative to fossil resources to produce bioenergy and bio-products. A major limitation to LB valorisation is its recalcitrance to enzymatic hydrolysis due to heterogeneous structure and complex chemical composition of plant cell walls. So far, the search for markers of recalcitrance has not allowed to highlight universal markers, and most LB species-specific markers have been identified at the molecular scale.Goal of this PhD thesis was to identify parameter underlying LB recalcitrance at different scales. To achieve this goal, we first investigated the effect of pretreatment, a crucial step to overcome recalcitrance, on poplar as a model hardwood feedstock. By measuring changes at compositional, structural and spectral levels, we identified several parameters such as fluorescence lifetime, autofluorescence, and sphericity which correlated strongly with hydrolysis yield.Then to identify markers behind LB recalcitrance at the uninvestigated cellular and tissular scale, we setup an original imaging pipeline including confocal time-lapse imaging to follow 3D deconstruction of poplar sections and an automatic segmentation and tracking of confocal time-lapse data. A quantitative correlation analysis allowed us to establish correlations between cellular and tissular scale parameters and cellulose conversion rate. In particular, we showed that cell wall volume degradation rate is strongly correlated with cellulose conversion during enzymatic hydrolysis. Furthermore, cell wall sphericity is negatively correlated with cell volume degradation rate and can be used to predict the LB degradability. Methods developed and results obtained offer new opportunities to bridge the gap between nano- and micro-scale to understand recalcitrance.Keywords: lignocellulosic biomass, recalcitrance, pretreatment, enzymatic hydrolysis, microscopy, 4D (space + time) imaging