Ingénierie du cycle de vie des ARN pour une approche économique de l'énergétique microbienne: application à la bioconversion des sources de carbone dérivées de la biomasse – RIB-ECO

Notre objectif est de réduire le cycle de vie de l'ARN consommateur d’énergie et de réallouer l’énergie économisée vers la croissance microbienne et la synthèse de produits. Cette vision intégrée de la physiologie microbienne couplant les régulations du cycle de vie de l'ARN et du métabolisme est nouvelle.

Pour analyser l’impact du cycle de vie de l’ARN sur la physiologie d’E. coli nous avons construit plusieurs mutants modifiés au niveau du cycle de vie des ARNm en ciblant 11 enzymes du processus de dégradation de l’ARN. Les croissances de ces différentes souches et de leurs contrôles ainsi que leur capacité d’adaptation à des changements de sources de carbone ont été caractérisées pour une large gamme sources de carbone (substrats glycolytiques : glucose, D-gluconate, L-arabinose, D-xylose, fructose, D-glucuronate ; substrats néoglucogéniques : pyruvate, succinate et acétate). Cette étape de criblage a permis de sélectionner les cibles les plus pertinentes pour examiner les liens entre le cycle de vie des ARNm et le métabolisme énergétique et notamment le rôle de PAPI, une enzyme consommatrice d’ATP impliquée dans la dégradation des ARNm.
Nous avons par la suite caractérisé l’effet des délétion/surexpression de PAPI sur la physiologie d’E. coli en termes d’allocation d’énergie, de croissance et de formation de produits dans des environnements contrôlés en bioréacteur. Nous avons d’autre part analysé l’effet de la délétion de PAPI sur le cycle de vie des ARNm par la mesure des temps de demi-vie de tous les ARNm dans des cellules en croissance et des concentrations en ARNm résiduels non dégradés en absence de croissance. Nous cherchons aujourd’hui à expliquer et relier les profonds remaniements observés au niveau du métabolisme énergétique et du cycle de vie des ARN par des approches de modélisation. Pour pouvoir identifier les réactions métaboliques les plus impactées par la surexpression ou la délétion de PAPI, nous avons intégré les données de quantification des métabolites externes et de biomasse dans des modèles stœchiométriques du métabolisme central d’E. coli. En parallèle, nous avons développé un modèle mathématique qui décrit le mécanisme de dégradation des ARNm cellulaires. Ce modèle permet d’analyser les mécanismes de régulation de la dégradation par les endoribonucléases, notamment la compétition des ARNm pour leur fixation à la RNase E. Notre approche est modulaire et pourra être étendue pour prendre en compte les aspects énergétiques de la dégradation des ARNm et le rôle de PAPI, via l’extension du modèle mécanistique. Ce sera une première étape vers le couplage du métabolisme énergétique avec le métabolisme des ARNm.

Les attendus du projet sont des souches microbiennes recombinantes dont la croissance est accélérée et la productivité augmentée. En plus de PAPI qui consomme de l’ATP, nous avons identifié d’autres enzymes cibles potentiellement intéressantes vis-à-vis du métabolisme du xylose qui est un des constituants de la biomasse végétale. Nous allons dans les mois à venir combiner ces différentes perturbations du cycle de vie de l’ARN dans le but de réduire significativement le cycle consommateur d’énergie et de réallouer l’énergie économisée vers la synthèse d’une protéine hétérologue.

Publications
-Roux C, Etienne TA, Hajnsdorf E, Ropers D, Carpousis AJ, Cocaign-Bousquet M, Girbal L. The essential role of mRNA degradation in understanding and engineering E. coli metabolism. Biotechnol Adv. 2021 Jul 21:107805. doi: 10.1016/j.biotechadv.2021.107805. Epub ahead of print. PMID: 34302931.
-TA. Etienne, M Cocaign-Bousquet, D Ropers, 2020, Competitive effects in bacterial mRNA decay. Journal of Theoretical Biology 504(7)110333. doi.org/10.1016/j.jtbi.2020.110333
-M. Lejars & E. Hajnsdorf «The world of asRNAs in Gram-negative and Gram-positive bacteria« BBA - Gene Regulatory Mechanisms 1863 (2020) 194489
-M. Lejars, A. Kobayashi & E. Hajnsdorf «Physiological roles of antisense RNAs in prokaryotes« Biochimie 164 (2019) 3e16

Posters
-Roux C, Hajnsdorf E, Girbal L, Cocaign-Bousquet M (2021) Modulation of RNA polyadenylation induces strong metabolic rearrangements in Escherichia coli. World Microbe Forum 20-24 June 2021. Online Worldwide.

Conferences
-Roux C, Hajnsdorf E, Girbal L, Cocaign-Bousquet M (2021) Modulation of RNA polyadenylation induces strong metabolic rearrangements in Escherichia coli. RNAocc2021, 3-4 June 2021, Montpellier, France.

Améliorer les performances des plateformes microbiennes pour utiliser et transformer la biomasse est crucial pour développer des procédés biotechnologiques durables et rentables. L’ingénierie métabolique de souches induit en général d’importantes limitations énergétiques qui freinent leur croissance et leur productivité. Le défi du projet RIB-ECO est d’optimiser l’efficacité énergétique des cellules en ECOnomisant les RIBonucléotides pour des applications en biotechnologie. Notre objectif est de réduire le cycle de vie de l'ARN consommateur d’énergie et de réallouer l’énergie économisée vers la croissance microbienne et la synthèse de produits. Cette vision intégrée de la physiologie microbienne couplant les régulations du cycle de vie de l'ARN et du métabolisme est nouvelle. Elle permettra des avancées scientifiques afin de comprendre et prédire l'adaptation des microbes aux changements d'environnement et de proposer des stratégies innovantes d'amélioration de souches. Les attendus du projet sont des souches microbiennes recombinantes dont la croissance et la productivité sont accélérées et une phase de latence diminuée lors de croissances sur des sources de carbone non-préférentielles. Dans ces souches optimisées, la limitation énergétique de la croissance sera réduite en modulant le cycle futile de l'ARN. Le projet sera mis en œuvre sur des cellules bactériennes d'Escherichia coli et appliqué aux sources de carbone dérivées de la biomasse végétale. L'optimisation de l'énergétique microbienne est une stratégie générique, pertinente pout tout microorganisme d'intérêt industriel (souches naturelles et recombinantes) et toute autre source de carbone. Améliorer la viabilité économique du secteur des biotechnologies contribuera au développement de la bioéconomie.