Une approche de biologie synthétique pour la conversion microbienne de matières premières cellulosiques en produits chimiques de commodités – SYNBIOCHEM

L'objectif global de ce projet est d'utiliser une approche de biologie synthétique pour développer un bioprocédés consolidé (CBP) construit autour d'une nouvelle souche bactérienne, possédant à la fois une activité cellulolytique élevée et la capacité de produire des produits chimiques d’intérêt industriel à haut rendement. A notre connaissance, un micro-organisme entièrement bi-fonctionnel de ce type n'a jamais été construit.
Il est maintenant largement reconnu que le futur des biotechnologies industrielles dépendra de matières premières cellulosiques, et que ces matières premières proviendront de cultures dédiées ou de déchets issus de l'agriculture ou de papiers et cartons collectés mais non recyclables. Les défis concernant leur utilisation comprennent le prétraitement initial et l'hydrolyse enzymatique de la cellulose résultante, qui sont toutes deux des opérations qui ont un coût important.
Une voie vers la réduction du coût du traitement des matières cellulosiques consiste à viser une intégration maximale, en éliminant les coûts de production d'enzyme et les étapes séparées d'hydrolyse et de fermentation. Ces éléments sont tous présents dans un concept connu sous le nom de bioprocédés consolidés (CBP), qui utilise un seul microorganisme cellulolytique comme catalyseur pour l'hydrolyse et la fermentation, conduisant à la production de composés cibles. Jusqu'ici, tous les organismes cellulolytiques naturels ne produisaient qu'un nombre limité de produits chimiques (éthanol, lactate, butyrate et acétate) alors que les microorganismes conçus pour produire des produits chimiques de plus grande valeur (comme Escherichia coli ou Saccharomyces cerevisiae) sont naturellement non cellulolytiques. De plus, la production à haut rendement de certains produits chimiques oxydés dérivés de l'acétyl-CoA nécessiterait l'utilisation d'une voie glycolytique non oxydative (NOG) associée à la croissance en conditions anaérobies, mais toutes les tentatives de développement d'une telle souche ont échoué.
Dans SYNBIOCHEM, Clostridum acetobutylicum constituera l’organisme de base d'une approche sophistiquée de biologie synthétique. Cette bactérie est un candidat idéal pour développer un CBP, en raison de son utilisation industrielle antérieure (dans le procédé ABE), de sa capacité à produire des produits chimiques d’intérêts et de la présence dans son génome des éléments nécessaires à la production d'un cellulosome. Pour atteindre cet objectif, nous réparerons le cellulosome de C. acetobutylicum et maximiserons l'expression des gènes qui l’encodent pour dégrader efficacement les matières premières cellulosiques prétraitées et fournir les sucres fermenticibles pour la production des produits chimiques ciblés.
En plus de la création d'un microorganisme CBP, SYNBIOCHEM apportera de nouvelles connaissances pour implémenter une voie NOG synthétique associée à la croissance et fonctionnelle qui permettra la production de molécules dérivées de l'acétyl-CoA à des rendements plus élevés lorsque moins de NADH est consommé dans leur formation que produit dans la glycolyse. De plus, C. acetobutylicum sera métaboliquement modifié pour produire les molécules ciblées d'intérêt industriel en utilisant comme souche plateforme, une souche hydrogénase moins brevetée antérieurement par le demandeur. Enfin, un nouveau bioréacteur CBP sera développé en collaboration avec l’entreprise partenaire.
Pour atteindre les objectifs ci-dessus, SYNBIOCHEM utilisera un ensemble d'outils de biologie synthétique développés au cours des quatre dernières années.
Par ailleurs, en terme de transmission des connaissances, les professeurs impliqués dans SYNBIOCHEM partageront l'expertise acquise dans ce projet avec les étudiants inscrits au Master de Génie Biochimique à l'INSA et le futur Master International de Biotechnologie Industrielle en collaboration avec AgroParisTech. De plus une école d'été internationale en Biologie Synthétique et Biotechnologie Industrielle sera crée.