Optimisation et controle de la productivité d'un écosystème algues-bactéries – Ctrl-AB

Des microalgues cultivées en présence d’autres micro-organismes présentent des dynamiques d'interaction complexes et donnent lieu à des processus biochimiques que, seules, elles ne peuvent pas réaliser. Les consortiums algues-bactéries présentent donc un gros potentiel, notamment pour des applications environnementales et biotechnologiques. L'exploitation de ces écosystèmes artificiels nécessite une bioingénierie des espèces microbiennes, une caractérisation quantitative de la dynamique de l’ensemble, la conception de stratégies de contrôle des communautés microbiennes, et leur implémentation dans des bioréacteurs automatisés. Tous ces éléments présentent des défis à la pointe de la recherche actuelle.

Dans le projet Ctrl-AB, nous développerons de nouvelles méthodes d'analyse théorique et de contrôle pour maximiser la productivité de lipides par une communauté algue-bactérie synthétique et démontrer leur efficacité sur des plateformes expérimentales, en utilisant des technologies de pointe pour la synthèse de capteurs et actionneurs moléculaires. La synthèse de lipides par les microalgues bénéficiera des vitamines libérées par les bactéries. Les bactéries seront dotées de circuits optogénétiques permettant de contrôler, via la lumière, la surexpression des vitamines. Malgré les interactions mutualistes, et en particulier des échanges gazeux favorables entre les espèces, la croissance sur des sources de carbone communes entraîne des compromis non triviaux qui nécessitent une modulation minutieuse des interactions par le contrôle de la lumière.

Pour permettre une analyse mathématique, et le développement de stratégies de contrôle, la modélisation mathématique de la dynamique de la communauté doit trouver un équilibre entre précision et simplicité. En utilisant des modèles métaboliques calibrés avec des données expérimentales, nous développerons des modèles de l’ensemble du consortium, que nous simplifierons par une approche mathématique de réduction. Sur cette base, nous étudierons plusieurs problèmes de contrôle optimal correspondant à différents critères de productivité et de rendement. Une approche de contrôle optimal par le principe d'optimalité de Pontryagin sera étudié. Ensuite, nous développerons des contrôleurs basés sur des modèles par des techniques robustes et des approches de contrôle prédictif, couplés à des estimateurs en ligne. Du fait de la complexité du système, des erreurs de modèle et la connaissance partielle de la dynamique devront être gérés. Pour contourner ces problèmes, nous déploierons des contrôleurs pilotés par les données, une approche inexplorée dans ce contexte. Enfin, nos approches de contrôle seront déployées et testées dans des bioréacteurs à l'échelle du litre, et les résultats seront comparés à la biosynthèse des lipides dans des cultures d'algues monospécifiques.

Le projet Ctrl-AB bénéficiera de deux plateformes expérimentales. La première est un mini-bioréacteur géré par ordinateurs. Piloté par notre logiciel ODIN et doté en outre d'un système de contrôle par la lumière, il sera le support idéal pour l'ingénierie et les tests de contrôle optogénétique chez les bactéries. Le second est une plate-forme expérimentale conçue pour la culture d'algues. Une fois équipée pour la co-culture, elle permettra des expériences de modélisation et de contrôle.

Le projet est mené par un consortium interdisciplinaire possédant une expertise complémentaire dans les domaines des mathématiques appliquées, de la théorie du contrôle, de la biologie synthétique et de la biotechnologie. Le coordinateur, Jean-Luc Gouzé, est un chercheur confirmé avec une longue expérience en mathématiques et contrôle appliqués à la biologie.

Les résultats théoriques et expérimentaux permettront des approches nouvelles en écologie microbienne et biotechnologie, avec des résultats à fort impacts sociétaux.