Étude des diversités génétique, chimique, et physiologique de souches françaises de Limnospira (Cyanobacteria) et de Chlorella (Chlorophyta) autorisées en agroalimentaire, stratégie de sélection de souches, et optimisation de la production de molécules d'intérêt

Study of the genetic, chemical and physiological diversity of French strains of Limnospira (Cyanobacteria) and Chlorella (Chlorophyta) authorized for food industry, strain selection strategy and optimization of the production of molecules of interest

• Auteur / Autrice : Théotime Roussel
• Direction : Cécile Bernard, Benjamin Marie
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2020; Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la nature et de l'Homme - Évolution et écologie (Paris ; 1995-....)

Mots clés

Mots clés libres

Limnospira

Chlorella

Taxonomie

Métabolites d'intérêt

Physiologie

Applications alimentaires

Limnospira

Chlorella

Taxonomy

Target metabolites

Physiology

Food applications

Résumé

Les cyanobactéries et les microalgues eucaryotes sont des microorganismes capables de réaliser la photosynthèse oxygénique. Très diversifiées, tant au niveau morphologique qu'écologique, elles peuvent synthétiser de nombreuses molécules aux structures variées dont certaines présentent des bio-activités d'intérêt pour l'Homme. Ainsi, elles ont fait l'objet de nombreuses études pour leur exploitation dans divers domaines industriels, notamment dans le domaine de l'alimentation. Les cyanobactéries du genre Limnospira, et la microalgue eucaryote verte Chlorella vulgaris sont les deux microorganismes photosynthétiques les plus produits à l'échelle mondiale, où elles sont connues sous leurs noms usuels de « spiruline » et de « chlorelle ». Dans ce contexte, les travaux menés au cours de cette thèse se sont intéressés à la diversité taxonomique de 115 souches françaises de Limnospira et de Chlorella et à la diversité des molécules qu'elles produisent. Les résultats ont ainsi servi à sélectionner les souches au plus haut potentiel de valorisation pour optimiser la croissance et la production de molécules d'intérêt. Ces travaux s'intègrent dans le cadre d'une Convention Industrielle de Formation par la Recherche (CIFRE) avec Algama, une entreprise spécialisée dans la formulation d‘ingrédients à partir d'algues pour l'industrie agroalimentaire. Afin de répondre à cette problématique, les souches ont tout d'abord été affiliées taxonomiquement par des approches moléculaires. L'utilisation des génomes a permis de montrer que l'espèce Limnospira platensis (comb. nov.) est la seule représentante du genre Limnospira, qu'elle est cosmopolite et très diversifiée. Les travaux ont également permis de montrer que onze des 20 souches de Chlorella appartiennent à l'espèce Chlorella vulgaris. Une combinaison d'approches chimiques ciblées et non-ciblée a ensuite permis de quantifier les molécules d'intérêt recherchées par Algama, ainsi que de mettre en évidence la présence de nombreuses autres molécules antioxydantes. Les empreintes chimiques obtenues, combinées avec les données génomiques ont permis la conceptualisation de la stratégie écologique de l'espèce L. platensis, qui semble, au vu des connaissances actuelles, unique chez les cyanobactéries. De nombreux travaux ont été effectués sur la physiologie de ces deux espèces d'intérêt industriel majeur. Une étude bibliographique a donc été réalisée afin de cibler les conditions de cultures qui sont connues pour avoir des effets positifs sur la croissance, la production de biomasse et de molécules d'intérêt. Ainsi, une focalisation a été opérée sur les effets de la lumière chez L. platensis, et des effets de la mixotrophie chez C. vulgaris. Les conditions de cultures choisies ont été utilisées pour effectuer un suivi cinétique chez les souches à haut potentiel de valorisation. Une souche de L. platensis et trois souches de C. vulgaris ont ainsi montré des caractéristiques prometteuses pour l'utilisation en agroalimentaire. Par ces différentes approches, les travaux de ce projet de thèse ont permis de mettre en avant que l'environnement abrite une diversité naturelle valorisable pour l'industrie agroalimentaire et ouvrent à de futurs projets de production à grande échelle de biomasse pour l'entreprise Algama. La stratégie de sélection mise en place tout au long du projet pourrait être appliquée à d'autres organismes pour la recherche d'autres molécules d'intérêt. Le remaniement taxonomique de l'espèce L. platensis aura des conséquences sur la législation et l'autorisation de mise sur le marché de nombreux produits destinés à l'alimentation. Outre les perspectives de valorisation, ces travaux ouvrent également des questions sur la notion d'espèce chez les cyanobactéries et sur l'utilisation des génomes en taxonomie, ainsi que sur la validation de la stratégie écologique de L. platensis par des approches en laboratoire.

Cyanobacteria and eukaryotic microalgae are microorganisms capable of oxygenic photosynthesis. Highly diversified both morphologically and ecologically, they can synthesize numerous molecules with varied structures, some of which have bioactivities of interest to humans. Thus, they have been the subject of numerous studies for their exploitation in various industrial fields, notably food. The cyanobacterium of the genus Limnospira, and the green eukaryotic microalga Chlorella vulgaris, are the two most widely produced photosynthetic microorganisms worldwide, where they are known by their common names of ''spirulina'' and ''chlorella''. In this context, the work carried out during this PhD thesis focused on the taxonomic diversity of 115 French Limnospira and Chlorella strains, and the diversity of the molecules they produce. The results were used to select strains with the highest potential for valorization, to optimize growth and the production of molecules of interest. This work is part of a CIFRE (Industrial Convention for Training through Research) agreement with Algama, a company specializing in the formulation of algae-based ingredients for the food industry. To address this issue, the strains were first taxonomically affiliated using molecular approaches. The use of genomes showed that the species Limnospira platensis (comb. nov.) is the only representative of the genus Limnospira, and that it is cosmopolitan and highly diversified. The work has also shown that eleven of the 20 Chlorella strains belong to the species Chlorella vulgaris. A combination of targeted and non-targeted chemical approaches was then used to quantify the target molecules sought by Algama, as well as highlighting the presence of numerous other antioxidant molecules. Chemical diversity data, combined with genomic data, enabled us to conceptualize the ecological strategy of the L. platensis species, which, given current knowledge, appears to be unique among cyanobacteria. A lot of studies have been carried out on the physiology of these two species of major industrial interest. A literature review was therefore carried out to target the culture conditions known to have positive effects on growth, biomass production and molecules production. We focused on the effects of light in L. platensis, and the effects of mixotrophy in C. vulgaris. The selected culture conditions were used to monitor the kinetics of strains with high recovery potential. One strain of L. platensis and three strains of C. vulgaris showed promising characteristics for use in the food industry. Through these different approaches, the work of this PhD thesis project has highlighted the fact that the environment harbors a natural diversity that can be exploited by the food industry and opens the door to future large-scale biomass production projects for Algama. The selection strategy implemented throughout the project could be applied to other organisms in the search for other molecules of interest. The taxonomic reorganization of the L. platensis species will have consequences for legislation and the selling authorization of many food products. In addition to the prospects for added value, this work also raises questions about the notion of species in cyanobacteria and the use of genomes in taxonomy, as well as validating the ecological strategy of L. platensis using laboratory approaches.