Nouvelles perspectives dans les déterminants de la stabilité des bioprocédés anaérobies en couplant des approches multi-omiques et statistiques – STABILICS

La digestion anaérobie (DA) est un processus microbiologique de dégradation de la matière organique qui produit un biogaz riche en méthane qui peut être converti en énergie électrique et thermique. Il est couramment utilisé pour traiter différents types de déchets organiques à l'échelle industrielle à l'aide de digesteurs anaérobies. Cependant, ce bioprocédé n'est pas totalement maîtrisé et présente encore un potentiel d'amélioration important. L'une des principales limites de la DA est la grande vulnérabilité des communautés microbiennes aux modifications des conditions de fonctionnement des digesteurs. Cela peut avoir pour conséquence une production de méthane instable. Contrôler la stabilité de la communauté microbienne de la DA n'est pas une tâche triviale. Les connaissances sur les déterminants de la stabilité des processus microbiens anaérobies (c'est-à-dire les conditions et la succession d'événements microbiens permettant de maintenir l'équilibre après une perturbation ou, au contraire, générant un effet domino conduisant à une défaillance du procédé) sont toujours très incomplètes. Les nouvelles approches à haut débit ‘omiques’ permettent désormais de générer des données d’une richesse sans précédent pour décrire le microbiome de la DA. La métagénomique, la métatranscriptomique, la métaprotéomique et la métabolomique permettent de décrire une communauté microbienne à différents niveaux (gènes, expression génique et production de métabolites). Des méthodes appropriées sont nécessaires pour analyser ces données de taille très importante afin de mieux comprendre les réseaux des processus fonctionnels de la DA. De nouvelles méthodes statistiques sont peu à peu développées pour exploiter et intégrer pleinement ces ensembles de données complexes. Dans ce contexte, l'objectif de STABILICS est de réaliser la première série d'expériences longitudinales multi-omiques, avec une profondeur d'échantillonnage sans précédent, dans des digesteurs anaérobies soumis à des paramètres environnementaux constants ou à différentes perturbations modèles créées par l'ajout de NaCl. Des expériences en réacteurs semi-continus de laboratoire seront mises en place et suivi sur le long terme (plus d'un an). Deux niveaux d'analyse seront appliqués. 1) Une analyse à fréquence élevée de différents descripteurs de l'activité du microbiome, à l’aide d’analyses métabolomiques non ciblées afin de caractériser les voies de dégradation et à l’aide de métabarcoding de l'ARN et de l'ADN pour cibler les microorganismes actifs et présents. 2) Une analyse en profondeur du fonctionnement du microbiome avec à la fois des approches métagénomique et métatranscriptomique sur des échantillons et des conditions sélectionnés. Ces ensembles de données sans précédent seront analysés de manière approfondie et intégrés à l’aide de méthodes statistiques de pointe. Par exemple, des méthodes multivariées de réduction de dimension seront utilisées pour intégrer les données omiques et sélectionner des variables d’intérêt. Une méthode analytique spécifique sera élaborée pour traiter les données longitudinales. Les objectifs de ce projet interdisciplinaire seront 1) d’évaluer à différents niveaux omiques la dynamique du microbiome de la DA dans des expériences répétées et sur le long terme, 2) de décrire la succession d’événements qui, en cas de perturbation, conduit à un déséquilibre du microbiome et du digesteur 3) de proposer un cadre analytique original pour des études longitudinales multi-omiques tenant compte de la temporalité et 4) de fournir des connaissances génériques permettant de mieux comprendre les déterminants de la stabilité de la DA.