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

Study of the Cupriavidus necator potentialities 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 01/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• 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 : Institut national des sciences appliquées (Toulouse ; 1961-....)

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

Ce projet de thèse s'inscrit dans un contexte international de volonté de relancer la recherche spatiale avec pour ambitions le lancement de vols habités vers Mars à moyen terme. Pour cela, l'introduction de forme de vie et de réactions biologiques permettant de produire de la nourriture ou de recycler les déchets dans les habitats spatiaux est indispensable. Ainsi, les objectifs de la thèse sont d'établir le potentiel de la bactérie Cupriavidus necator pour le recyclage des déchets organiques, produits par des astronautes, en sources alimentaires : des Protéines d'Organismes Unicellulaires (POU) ; et en matériaux de construction de type PolyHydroxyAlcanoates (PHA). Ce projet de thèse devra répondre, entres autres, aux questionnements scientifiques suivants : Quel est le potentiel de C. necator pour le recyclage des déchets organiques de type acides gras volatiles (AGV) et urée ? Dans quelle mesure la source de carbone (AGV seul ou en mélange) et la vitesse de croissance influencent-t-elles les paramètres cinétiques et la composition et la qualité de la biomasse d'une culture de C. necator en condition de production de POU ou de PHA ? Dans quelle mesure est-il possible de moduler la consommation de dioxygène en jouant sur la versatilité du métabolisme bactérien ? Tout d'abord, le choix de la souche de C. necator sera effectué après un screening de souches disponibles dans l'équipé. Après validation des outils et méthodes développées, la souche choisie sera cultivée en bioréacteur instrumenté, dans différentes conditions environnementales prédéfinies afin de produire des POU ou des PHA. Au cours de chacune de ces cultures, plusieurs paramètres seront suivis et mesurés, tels que les cinétiques de consommation des substrats, de production des métabolites ainsi que la composition de biomasse (POU, PHA, ADN, ARN). Une première série de cultures continues permettant de comparer l'impact de la source de carbone (glucose et mélange des AGV) et de la vitesse de croissance. Une deuxième série de cultures étudiera l'impact de chaque AGV séparément sur la composition et la qualité de la biomasse. La complexité du procédé sera peu à peu augmentée pour se rapprocher au mieux des conditions réelles. Enfin, le métabolisme fermentaire sur nitrates de C. necator sera étudié dans le but de limiter la consommation de dioxygène du procédé.

This thesis project takes place in an international context of advances in space research with the ambition of launching manned flights to Mars in the medium term. For this, the introduction of life forms and biological reactions to produce food or recycle waste in space habitats is essential. Thus, the objectives of the thesis are to establish the potential of the bacterium Cupriavidus necator for the recycling of organic waste, produced by astronauts, into food sources: Proteins of Unicellular Organisms (POU); and in construction materials of the PolyHydroxyAlkanoates (PHA) type. This thesis project should answer, among others, the following scientific questions: What is the potential of C. necator for the recycling of organic waste such as volatile fatty acids (VFAs) and urea? To what extent does the carbon source (AGV alone or in a mixture) and the growth rate influence the kinetic parameters and the composition and quality of the biomass of a culture of C. necator under POU production conditions? or PHA? To what extent is it possible to modulate oxygen consumption by playing on the versatility of bacterial metabolism? First of all, the choice of the strain of C. necator will be made after a screening of strains available in the team. After validation of the tools and methods developed, the chosen strain will be cultivated in an instrumented bioreactor, under different predefined environmental conditions in order to produce POUs or PHAs. During each of these cultures, several parameters will be monitored and measured, such as the kinetics of consumption of substrates, production of metabolites as well as the composition of biomass (POU, PHA, DNA, RNA). A first series of continuous cultures to compare the impact of the carbon source (glucose and VFA mixture) and the growth rate. A second series of cultures will study the impact of each VFA separately on the composition and quality of the biomass. The complexity of the process will be gradually increased to get as close as possible to real conditions. Finally, the fermentation metabolism on nitrates of C. necator will be studied in order to limit the consumption of dioxygen in the process.