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Construction de méthylotrophes synthétiques

Utiliser  le  méthanol surabondant et peu couteux comme ressource carboné renouvelable pour la production de composés chimiques et énergétiques sera bientôt faisable. Les travaux menées au sein de l’équipe MetaSys du LISBP ont permis démontrer qu’il était possible d’intégrer fonctionnellement la methylotrophie – capacité d’utiliser le méthanol  comme seul source de carbone et d’énergie- chez des microorganismes plateformes en biotechnologie et obtenir ainsi des methylotrophes synthétiques.

 

Enjeux, origines des travaux :

Pourquoi la méthylotrophie synthétique ?

Du fait de sa large disponibilité et de son faible coût, le méthanol est  une alternative intéressante comme une matière première non-alimentaire pour les bioprocédés microbiens [1] . Par ailleurs, l'approvisionnement en méthanol est possible à partir de ressources fossiles et de ressources renouvelables ce qui en fait une matière première étonnamment souple et durable [2]. Ce substrat sans liaison carbone-carbone est utilisé par des groupes de microorganismes spécialisés : les méthylotrophes, comme seule source de carbone et d’énergie pour la croissance. Bien que des travaux démontrent la potentialité des méthylotrophes naturels (par exemple Methylobacterium extorquens, Bacillus methanolicus ou Pichia pastoris) en biotechnologie, ces derniers ne possèdent pas les caractéristiques nécessaires pour une application industrielle (absence d’outils génétiques, faible production de composés d’intérêts) [3]. C’est pourquoi la methylotrophie synthétique est une alternative attractive. Ce concept se réfère à l’ingénierie d’organismes plateformes et reconnus d’intérêts (E. coli, C. glutamicum et B. subtillis) pour convertir le méthanol en composés d’intérêt industriel. L’idée étant de valoriser le méthanol tout en s’appuyant sur le vaste potentiel biotechnologique de ces microorganismes.

 

Résultat principal :

Une première étape franchie : l’utilisation synthétique du méthanol est possible. 

Dans le cadre des projets SYNMET (projet ESF) et PROMYSE (projet EU), l’équipe met en œuvre une démarche de biologie des systèmes et de synthèse autour du concept de la methylotrophie synthétique. L’idée est de transformer certaines bactéries (E. coli, C. glutamicum et B. subtillis) non méthylotrophes en bactéries capables d'utiliser ce substrat. Du fait de la grande diversité métabolique présente parmi les méthylotrophes, plus de de 1000 chemins métaboliques uniques sont possibles pour dégrader le méthanol. C’est pourquoi, nous avons tout d’abord développé une approche in silico qui nous a permis d’identifier la combinaison de gènes à introduire ces hôtes pour atteindre un rendement maximal de biomasse sur méthanol [4]. La combinaison sélectionnée est composée par la méthanol déshydrogénase NAD dépendante associée avec deux enzymes (6-phospho-3-hexuloisomerase et 3-hexulose-6-phosphate synthase) de la voie du ribulose monophosphate de B. methanolicus. La fonctionnalité in vivo de de cette voie métabolique a été évaluée par une approche de fluxomique, en suivant la dynamique d’incorporation du carbone 13 (issu du méthanol marqué) à travers les intermédiaires métaboliques chez les souches méthylotrophes synthétiques. Une incorporation isotopique a été observée dans les différents intermédiaires glycolytiques et de la voie de pentoses phosphates démontrant l’utilisation synthétique du méthanol. Cependant la vitesse d’incorporation reste lente, limitant  l’assimilation du méthanol et donc la croissance des souches sur ce substrat. Ces résultats démontrent la fonctionnalité in vivo de la voie synthétique mais souligne l’existence de verrous métaboliques.

 

Perspectives : Vers une bioéconomie basée sur le méthanol.

Au-delà d’une meilleure compréhension de  bases métaboliques et fonctionnelles de la méthylotrophie, ce travail prouve le concept de la methylotrophie synthétique et ouvre la voie  à la valorisation de ce substrat comme ressource carbonée renouvelable pour la production de molécules d’intérêt. La seconde étape est donc d’optimiser le réseau métabolique des souches de première génération et ainsi lever le verrou majeur qui est l’absence la croissance sur méthanol [5-7].

 


Aperçu schématique de la stratégie mise en œuvre pour la construction de méthylotrophes synthétiques

 

Partenaires/Projets

- T. Brautaset, (SINTEF, Trondheim, Norway)

- J. Vorholt, (ETH Zürich, Suisse)

- V. Wendisch (U.Bielefield, Münster, Germany)

-  W.J. Quax, (U. Groningen, Netherlands)

 

Projet SynMet : EC-FP6 –SYNBIOSAFE

Projet PROMYSE : EC-FP7-KBBE.2011.3.6-04

 

Références/Valorisation :

1.         http://www.methanol.org/Methanol-Basics/The-Methanol-Industry.aspx

2.         Bertau M, Offermanns H, Plass L, Schmidt F, Wernicke HJ: Methanol: The Basic Chemical and Energy Feedstock of the Future: Asinger's Vision Today. Springer; 2014.

3.         Schrader J, Schilling M, Holtmann D, Sell D, Filho MV, Marx A, Vorholt JA: Methanol-based industrial biotechnology: current status and future perspectives of methylotrophic bacteria. Trends Biotechnol 2009, 27:107-115.

4.         Vieira G, Carnicer M, Portais JC, Heux S: FindPath: a Matlab solution for in silico design of synthetic metabolic pathways. Bioinformatics 2014, 30:2986-2988.

5.         Muller JE, Meyer F, Litsanov B, Kiefer P, Potthoff E, Heux S, Quax WJ, Wendisch VF, Brautaset T, Portais JC, Vorholt JA: Engineering Escherichia coli for methanol conversion. Metabolic engineering 2015, 28:190-201.

6.         Brautaset T, Heggeset M, Marita B, Heux S, Kiefer P, Krog A, Lessmeier L, Muller JE, Portais JC, Potthoff E, et al: Novel Methanol Dehydrogenase Enzymes from Bacillus. In Book Novel Methanol Dehydrogenase Enzymes from Bacillus (Editor ed.^eds.), vol. WO 2013110797. City; 2013.

7.         Lessmeier L, Pfeifenschneider J, Carnicer M, Heux S, Portais JC, Wendisch VF: Production of carbon-13-labeled cadaverine by engineered Corynebacterium glutamicum using carbon-13-labeled methanol as co-substrate. Appl Microbiol Biotechnol 2015.

 

Contact :

Heux Stéphanie,heux@insa-toulouse.fr