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Ingénierie et Evolution des Voies Métaboliques chez les Procaryotes (Equipe EAD3)

 

Une équipe de physiologie dédiée à l’analyse et à l’ingénierie du métabolisme des procaryotes

 

L’équipe regroupe une douzaine de personnes dont cinq chercheurs permanents.

 

Biologie des systèmes et biologie synthétique pour les biotechnologies blanches

 Spécialisée dans l’analyse du métabolisme des procaryotes, les travaux de l’Equipe PEEP sont focalisés sur l’étude de deux microorganismes modèles d’intérêt industriel : Escherichia coli et Clostridium acetobutylicum.

Associant des compétences en microbiologie, physiologie, génétique bactérienne, biologie moléculaire et enzymologie, la démarche de l’équipe utilise deux approches complémentaires :

  • Une approche de type « Biologie des Systèmes » permettant d’étudier de manière exhaustive le métabolisme des microorganismes en cultures continues. Une caractérisation précise est menée en combinant des mesures de flux in vivo et in vitro à une analyse quantitative des métabolites, des enzymes et des niveaux d’expression des gènes clés du métabolisme central (« omics ») ;
  • Une approche de type « Biologie synthétique » permettant, à partir des données obtenues, de restructurer le réseau métabolique, en modifiant les voies existantes et/ou en créant de nouvelles voies métaboliques afin de produire une ou plusieurs molécules d’intérêt industriel.

L’objectif ultime de ces travaux est de développer des procédés biotechnologiques innovants et originaux utilisant les bactéries comme usines cellulaires capables de convertir en une seule étape des ressources renouvelables en produits chimiques de commodité et biocarburants : c’est le concept de concept de biotechnologies blanches. Les produits d’intérêt actuellement à l’étude sont l’hydrogène et l’acétate, le 1, 2 et le1, 3 propanediol, le butanol, l’éthanol et l’isopropanol.

Pour mener à bien ces travaux, une gamme d’outils et de techniques a été développée au sein même de l’Equipe de recherche :

  • Des outils génétiques permettant la délétion de voies métaboliques et l’introduction de gènes hétérologues pour la création de nouvelles voies métaboliques,
  • Des outils génétiques pour la modification et la modulation du niveau d’expression de gènes cibles afin d’optimiser leur niveau d’expression pour les conditions métaboliques imposées,
  • Une technique d’évolution in vivo des voies métaboliques pour la création d’activités enzymatiques améliorées ou n’existant pas dans la nature, mais également pour évaluer la flexibilité des réseaux génétique et métabolique d’E. coli et C. acetobutylicum lorsqu’ils sont soumis à des contraintes métaboliques.

 

Un réseau pour des collaborations locales, nationales, internationales et industrielles

Impliquée aux côtés d’autres équipes du LISBP dans différents programmes de R&D, l’équipe PEEP a développé ses propres collaborations académiques au niveau national avec différents laboratoires (CNRS Marseille, INRA Narbonne, CEA Grenoble…). L’équipe PEEP est également membre du GDR Biohydrogène « Voies Biologiques et Biomimétiques de Synthèse et d'Utilisation de l'Hydrogène » créé en 2006.

L’équipe PEEP bénéficie d’un fort soutien de l’Agence Nationale de la Recherche (Projets Bioglycol, AcetoH2, BioButanol, BioButaFuel, INGECOH) ainsi que de celui de l’Union Européenne (Projets BIOCORE, EUROBIOREF, CLOSNET).

Sur le plan international, l’équipe PEEP développe des partenariats avec l’Université de Georgia (Athens, Etat Unis), l’Université de Nottingham (Angleterre), l’Université de Suranawee (Korat Thaïlande), l’Université de Sungkyunkwan (Séoul, Corée du Sud).

Plusieurs partenariats industriels sont également en cours avec les sociétés Total, Air Liquide, ou MetEx.

 

Procédé de conversion du glycérol en 1,3 propanediol : un exemple de réussite

Une stratégie d’ingénierie métabolique a été développée chez /C. acetobutylicum/ afin de construire une nouvelle souche capable de convertir efficacement le glycérol en 1,3 propanediol à l’aide d’une nouvelle enzyme aux propriétés originales, la glycérol déshydratase vitamine B12 indépendante de /C./ /butyricum,/ isolée et caractérisée au sein de l’équipe PEEP (Sarcabal /et al./ Brevet d’invention PCT n°FR00/0181 (US Patent No. 7,267,972), Raynaud /et al./ 2003, PNAS, 100, 5010-5015, Saint-Amans /et al./ 2001, /J/. /Bacteriol./, 183(5):1748-54).

La voie du 1,3 propanediol (composée de deux enzymes, la glycérol déshydratase et la 1,3 propanediol déshydrogénase) de /C. butyricum/ a été introduite dans une souche mutante de /C. acetobutylicum/ (DG1) naturellement incapable de dégrader le glycérol et de produire du 1,3 propanediol.

L’introduction de cette voie métabolique chez /C. acetobutylicum/ lui permet de convertir le glycérol en 1,3 propanediol avec co-production d’acétate et de butyrate. Cultivée en culture fed-batch alimentée en glycérol, cette souche DG1 (/pSPD/5) est capable de produire du 1,3 propanediol à une concentration et une productivité supérieures à celles obtenues avec la souche de /C. butyricum/ naturellement productrice de 1,3 propanediol (Meynial-Salles /et al/. 2005 /Metab. Eng/. 7:329-36 ; Gonzales-Pajuelo M. /et al./ 2006, /Appl Environ Microbiol/. 72, 96-101).

Par ailleurs, il a été montré que cette souche peut être cultivée en culture continue sur glycérol pendant plusieurs mois en produisant du 1,3 propanediol à fortes productivité et concentration.

L’ensemble de ces résultats obtenus au sein de l’équipe PEEP ont conduit à licencier le brevet d’invention à une société industrielle. La souche DG1(/pSPD5/) est d’ores et déjà utilisée dans un procédé de production de 1.3 propanediol, actuellement en phase pilote de démonstration qui va déboucher sur la construction d’une usine pour la production de 50 000 t/an de 1,3 propanediol pur en Malaisie.

Plus globalement, cet exemple de projet réussi et débouchant sur un procédé industriel démontre qu’une souche dont le métabolisme a été rationnellement réorienté et optimisé est meilleure et plus efficace qu’une souche naturelle et confirme que l'intégration de la biologie synthétique dans les biotechnologies peut permettre d’innover vers des procédés durables et performants.