DÉVELOPPEMENT DE CO-CULTURES BACTÉRIENNES MUTUALISTES POUR L'OPTIMISATION DES BIOPRODUCTIONS

DEVELOPMENT OF MUTUALISTIC BACTERIAL CO-CULTURES FOR OPTIMIZED BIOPRODUCTION

• Auteur / Autrice : Matisse Ferrer
• Direction : Volker DÖring
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Biotechnologies
• Date : Inscription en doctorat le 15/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Structure et Dynamique des Systèmes Vivants
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génomique métabolique - DRF/JACOB/Génoscope
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de Biocatalyse Bioremédiation et métabolisme synthétique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université d'Évry Val d'Essonne

Mots clés

Mots clés libres

Communautés bactériennes synthétiques

Ingénierie métabolique

Co-cultures

Évolution

Culture continue

Synthetic bacterial communities

Metabolic engineering

Co-cultures

Evolution

Continuous culture

Résumé

Dans leur environnement naturel les microorganismes se développent le plus souvent en consortia et entretiennent des interactions et dépendances multiples et complexes. Ces communautés expriment des capacités métaboliques et des qualités de robustesse et d'adaptation aux fluctuations environnementales que ne possèdent pas les membres isolés. Ces propriétés sont exploitées dans de nombreuses applications industrielles, telles que les transformations alimentaires, le traitement des eaux usées, la bioremédiation de sols pollués, la biodégradation contrôlée de biomasses complexes, etc. En revanche, les approches d'ingénierie métabolique et de biologie de synthèse développées pour des productions biotechnologiques industrielles reposent principalement sur l'utilisation d'organismes uniques en monoculture. Cependant, le coût énergétique de la synthèse des enzymes d'une voie synthétique de bioproduction et l'éventuelle toxicité des intermédiaires de la voie constituent une charge métabolique qui peut se révéler préjudiciable pour la stabilité et le rendement des souches de production. Pour résoudre ces difficultés, des communautés microbiennes synthétiques, mono-espèces ou multi-espèces, sont construites pour répartir la charge métabolique d'une voie de production hétérologue entre les microorganismes associés et ainsi améliorer le rendement de production (Zhou et al., 2015). Des travaux publiés montrent que des souches de bactéries auxotrophes peuvent être associées pour établir des dépendances métaboliques croisées qui garantissent la stabilité des consortiums synthétiques. Pour éviter la compétition pour les ressources carbonées, chaque membre de la co-culture utilise une source de carbone spécifique présente dans le milieu (Zhang et al., 2015). Le projet de doctorat vise à établir des communautés de souches d'Escherichia coli interdépendantes par l'échange réciproque de facteurs de croissance essentiels, acides aminés ou intermédiaires du métabolisme central du carbone et se propageant en co-culture de façon stable et équilibrée. Ces systèmes seront guidés par les résultats de nos études sur les bifurcations cataboliques conditionnelles dans cet organisme (Iacometti et al., 2022). Les propriétés de croissance des consortiums établis seront optimisées par évolution dirigée en culture continue. L'identification des mutations adaptatives permettront de détecter les goulots d'étranglement génétiques et de poser les bases de la construction de châssis génériques adaptés à la bioproduction. Une voie biosynthétique hétérologue sera exprimée dans les cellules, soit complète en monoculture soit partagée entre les partenaires de co-culture et les rendements de production seront comparés. Le doctorant bénéficiera des multiples expertises et équipements de l'UMR Génomique Métabolique, couvrant la génétique moléculaire, la biologie synthétique, l'évolution dirigée, la chimie analytique et l'enzymologie.

In their natural environment, microorganisms generally dwell within consortia with members undergoing multiple interactions and interdependencies. These communities exhibit metabolic capacities and adaptation potentials towards environmental fluctuations not found for individual species. Their capacities are exploited for societal benefits, as exemplified by alimentary transformations by the food industry or by wastewater treatments. By contrast, microbial productions of industrial relevant chemicals – a growing field of applied microbiology based on the concepts of metabolic engineering and synthetic biology – are still mainly realized using isolated producer strains. However, energetic costs of enzyme production and possible toxicities of pathway intermediates can hamper stable and efficient bioproduction processes. Synthetic communities distributing the metabolic load of the synthetic pathway between two or more producer strains, which can belong to the same or different microbial species, have the potential to increase production yields (Zhou et al., 2015). To stabilize the consortium, efforts are made to construct interdependent producer strains being auxotrophic for an essential nutriment, most commonly an amino acid (Kelly et al., 2021), enabling the setup of mutualistic co-cultures. To avoid nutritional competition, each co-culture member grows on a specific carbon source present in the medium (Zhang et al., 2015). During the Ph.D. project, E. coli systems of growth factor interdependence, including requirements for essential intermediates of the central carbon metabolism, will be explored for stable and balanced co-culture growth. Such systems will be guided by the results of our studies of conditional catabolic bifurcations in this organism (Iacometti et al., 2022). Directed evolution to optimize growth and identification of adaptive mutations will enable to detect genetic bottlenecks and set the basis for the construction of generic co-culture chassis for bioproduction. A heterologous biosynthetic pathway will be expressed in the cells, either complete in a monoculture or split between co- culture strains, and production yields compared. The PhD student will benefit from multiple expertise and equipment of the UMR Génomique Métabolique, covering molecular genetics, synthetic biology, directed evolution, chemical analytics and enzymology.