Étude de la bactérie Cupriavidus necator pour une application spatiale en support vie : recyclage des déchets, alimentation et biopolymères

Study of the Cupriavidus necator for a space application in life support system : waste recycling, food sources and biopolymers

• Auteur / Autrice : Pierre Joris
• Direction : Nathalie Gorret
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Ingénieries microbienne et enzymatique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/06/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : FAME - Fermentation Avancée et Génie Microbien
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Toulouse, INSA
• Jury : Président / Présidente : Véronique Pallet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nathalie Gorret, Catherine Béal, Maeva Subileau, Alexis Paillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Béal, Maeva Subileau

Mots clés

Mots clés libres

Cupriavidus necator

Protéines d'organismes unicellulaires (POU)

PolyHydroxyAlcanoates (PHA)

Système de support vie

Acides gras volatiles (AGV)

Recyclage

Cupriavidus necator

Single cell proteins (SCP)

PolyHydroxyAlkanoates (PHA)

Life support system

Volatile fatty acids (VFA)

Recycling

Résumé

Selon le Groupe international de coordination de l'exploration spatiale, l'exploration humaine de l'espace passe à la vitesse supérieure. L'objectif final est d'envoyer des humains sur Mars avant 2050. En raison des distances à parcourir et de la durée du vol, les réapprovisionnements seront fortement limités. Le système de survie des astronautes doit être capable de maintenir des conditions favorables aux humains en convertissant continuellement les déchets en composés d'intérêt tels que les protéines d'organismes unicellulaires (POU) et les polyhydroxyalcanoates (PHA). Deux flux de déchets et un micro-organisme ont été identifiés : l'urée provenant de l'urine de l'équipage, les acides gras volatils (AGV) provenant d'une première étape de digestion anaérobie des déchets et la bactérie Cupriavidus necator (C. necator). L'objectif de ce travail était de démontrer la faisabilité de la production de POU et de PHA à partir d'AGV et d'urée pour une application spatiale. La meilleure souche de C. necator pour cette application a été sélectionnée et caractérisée parmi cinq souches de type sauvage. Les systèmes de survie fonctionnant en boucle, des expériences de culture continue ont été choisies et l'effet du taux de dilution et des sources de carbone sur la composition de la biomasse a été étudié. Cette approche macroscopique a été combinée à des analyses moléculaires et à l'échelle de la cellule unique grâce à la protéomique et à la cytométrie de flux. Enfin, la respiration anaérobie au nitrate de C. necator a été caractérisée afin de réduire significativement sa consommation d'oxygène. Deux criblages de souches basés sur l'activité uréolytique, la respiration anaérobie et la composition de la biomasse ont été réalisés, et la souche de type sauvage CECT 4623 a été sélectionnée. La transformation totale de la source de carbone et d'azote en biomasse avec un mélange de SCP et de PHA a été montré en chemostats. Indépendamment de la source de carbone et en limitation de carbone, la teneur en protéines a augmenté (de 55,0 %CDW à 78 %CDW) avec un taux de dilution décroissant, tandis que les acides nucléiques et les PHA ont diminué (de 8,8 %CDW à 4,8 %CDW et de 9,8 %CDW à 0,6 %CDW respectivement). Dans ces conditions, l'acide acétique a conduit à la meilleure composition de la biomasse, tandis que l'acide propionique a induit une plus grande accumulation d'acides nucléiques et une teneur en protéine moindre. La cytométrie en flux a révélé la présence d'hétérogénéités, tandis que la protéomique a montré l'adaptation du métabolisme et du phénotype de C. necator à la source de carbone. Enfin, pour limiter l'apport en oxygène de nos cultures l'utilisation des nitrates a été étudiée. Les meilleures conditions pour la respiration du nitrate se sont avérées être les suivantes : pH = 7,5 en anaérobiose avec un métabolisme produisant du PHB. Ensuite, la biomasse dans les cultures continues était composée d'un mélange de protéines et de PHA (environ 1/3 %CDW et 2/3 %CDW respectivement) quelles que soient les conditions nutritionnelles appliquées, ce qui démontre la possibilité de se passer d'oxygène.

According to the International Space Exploration Coordination Group, human space exploration is stepping up a notch. The end goal is to send Humans to Mars before 2050. Due to the distances involved and the duration of the flight, replenishments will become strongly limited. The astronaut life support system must be able to maintain friendly conditions for humans by continually converting wastes into valuable compounds such as Single Cell Proteins (SCPs) and PolyHydroxyAlcanoates (PHA). Two waste streams and one microorganism were identified: urea from the crew’s urine, volatile fatty acids (VFAs) coming from a first stage of anaerobic waste digestion, and the bacterium Cupriavidus necator (C. necator). The objective of this work was to demonstrate the feasibility of producing SCPs and PHAs from VFAs and urea for a space application. The best strain of C. necator for this application was selected and characterized among five wild type strains. Since life support systems operate continuously as loops, continuous culture experiments were chosen and the effect of dilution rate and carbon sources on biomass composition was investigated. This macroscopic approach was combined with single cell and molecular analyses thanks to flow cytometry and proteomic. Finally, the nitrate anaerobic respiration of C. necator was characterized in order to reduce significantly its oxygen consumption. Two strain screenings based on ureolytic activity, anaerobic respiration and biomass composition were performed and the wild type strain CECT 4623 was selected. The total transformation of the carbon and nitrogen source into biomass with a mix of SCP and PHAs was achieved. Regardless of the carbon source and under carbon limitation, the protein content increased (from 55.0 %CDW to 78 %CDW) with decreasing dilution rate while nucleic acids and PHAs decreased (from 8.8 %CDW to 4.8 %CDW and 9.8 %CDW to 0.6 %CDW respectively). In these conditions, acetic acid led to the best biomass composition while propionic acid induced more nucleic acid accumulation and growth inhibition. Flow cytometry revealed the presence of heterogeneities while proteomic showed the adaptation of C. necator metabolism and phenotype to the carbon source. Finally, the best conditions for nitrate respiration were found to be: pH = 7.5 in anaeroby with a PHB producing metabolism. Then, the biomass in continuous cultures was composed of a mix of protein and PHA (around 1/3 %CDW and 2/3 %CDW respectively) no matter the nutritional condition applied, which demonstrated the possibility of dispensing with oxygen.