Régulations de la photosynthèse et production de biofuels par les cyanobactéries – ReCyFuel

Nous avons combiné des approches de biologie moléculaire, de biochimie et de biophysique. Des protéines OCP mutées ont été construites et exprimées dans des cellules d'E. Coli.
Des souches de cyanobactéries avec des mécanismes de photoprotection modifiés ont été construites et caractérisées. Les protéines et complexes modifiés ont été isolés et caractérisés par des méthodes biophysiques (absorbance et fluorescence, cinétique rapide et lente). Enfin, deux
méthodes différentes pour mesurer le transport d'électrons cyclique autour du Photosystème I ont été développées in vivo: 1) le décalage électrochromique des pigments photosynthétiques qui
permet la mesure du champ électrique transthylakoïdal produit par le transport cyclique 2) l'utilisation d'un spectrophotomètre Klas-NIR pour mesurer les changements redox des donneurs et accepteurs du photosystème I, qui convertit l’énergie lumineuse en transfert cyclique.

Sur la base de nos connaissances et de notre expertise antérieures sur le NPQ liés aux OCP, nous avons pu rechercher différents OCP naturels et mutants induisant une photoprotection importante avec une récupération plus rapide, ce qui favorise la conversion de lumière en biocarburant. Nous avons trouvé de bons candidats naturels et plusieurs mutations OCP présentant ces caractéristiques rapides. Quelques mutants de cyanobactéries prometteurs ont été construits.
Des découvertes essentielles ont été faites sur le mécanisme des transitions d'état montrant que les hypothèses précédentes étaient fausses et que ce mécanisme est complètement différent chez les plantes et les cyanobactéries. Enfin, les méthodes développées au cours du projet ont permis de mieux comprendre le rôle du transport cyclique d'électrons dans la photosynthèse cyanobactérienne. Nous avons pu montrer que ce mode de transport n’était pas dépendant de la nature du donneur au photosystème 1 (plastocyanine ou cytochrome c6) et que son amplitude
restait faible en absence de transfert d’électron linéaire.

Ce projet a permis de définir de nouvelles approches pour modifier le mécanisme de photoprotection, le NPQ, et de faire de grands progrès dans l'élucidation du mécanisme des transitions d'état et du rôle de transport cyclique d'électrons. La construction de souches mutantes de cyanobactéries et le test de ces nouvelles souches sur la production de biocarburants restent à effectuer. D'autres études sont nécessaires pour élucider les facteurs et les protéines impliqués dans les transitions d'état et le transport cyclique d'électrons avant de concevoir des modifications de ces mécanismes favorisant la production de biofuel.

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En réponse au réchauffement climatique et aux limitations en ressources fossiles, un des plus grands défis de nos sociétés est de concevoir de nouvelles méthodes pour générer des énergies renouvelables, durables et propres. Récemment, l'utilisation des cyanobactéries comme plateformes technologiques de production de biofuels s'est développée de manière significative. On peut cultiver les cyanobactéries dans des conditions impropres à l'agriculture grâce à leur adaptabilité et leur résistance à des environnements variables et extrêmes. On peut aussi leur appliquer facilement les méthodes de la bioingénierie et les efforts de recherche se concentrent sur la modification des voies métaboliques pour diriger l'énergie de la photosynthèse vers la synthèse de molécules clés. Cependant, ces modifications ont un impact sur d'autres voies métaboliques essentielles comme en particulier l'assimilation du CO2 par la photosynthèse. Inversement, modifier la photosynthèse change le rendement de production des biofuels. Comprendre ces réponses de rétroaction sera essentiel pour la conception de nouvelles souches produisant des biofuels avec des rendements élevés.
Le but de notre projet est de comprendre et de modifier des mécanismes photosynthétiques de photoprotection et de régulation des cyanobactéries favorisant la production de biofuels. Nous étudierons d'une part l'impact sur la photosynthèse de modifications de voies métaboliques chez 4 souches produisant des biofuels et d'autre part l'influence sur la production de biofuels de changements de photoprotection et de taux de photosynthèse. Modifier et contrôler le mécanisme NPQ (Non-Photochemical Quenching) constitue une cible-clé pour améliorer l'efficacité de souches cyanobactériennes. Ce mécanisme, en même temps qu'il protège les cellules contre les dommages causés par la lumière, implique une baisse de l'énergie d'excitation utile et peut donc diminuer la conversion d'énergie solaire en biofuels. Nous allons modifier le mécanisme NPQ pour que les cellules adaptent rapidement leur réponse dans les conditions très variables de croissance présentes dans les bioréacteurs. A cet effet, les éléments essentiels du mécanisme NPQ, l' "Orange Carotenoid Protein" et la " Fluorescence Recovery Protein", seront modifiés. La seconde approche consistera à modifier l'appareil photosynthétique des cyanobactéries au niveau de la régulation du transport cyclique d'électrons et des mécanismes de transitions d'états, en lien avec la caractérisation approfondie de ces mécanismes. De nouveaux points de régulation seront découverts dont il faudra déterminer s'ils ont ou non un impact sur la production de biofuels spécifiques.
La compréhension de différentes régulations et leurs effets sur la synthèse de biofuels conduira à développer des souches cyanobactériennes à partir de nouvelles approches qui diminuent le gaspillage d'énergie et augmentent la production de biofuels. Ce projet aura donc un impact sociétal et socio-économique par sa participation à l'amélioration des cyanobactéries productrices de biofuels, ce qui pourra conduire à breveter certaines souches modifiées dans leur photoprotection.
Le succès du projet BioCyFuel requiert la combinaison des expertises des 2 partenaires français et leur collaboration avec 2 laboratoires étrangers qui fourniront les souches productrices de biofuels. Le partenaire 1 a découvert et caractérisé le mécanisme NPQ des cyanobactéries et possède une expertise de longue date en biologie moléculaire des cyanobactéries. Le partenaire 2 est un expert reconnu internationalement en particulier dans les transitions d'états chez les algues et le transport cyclique d'électrons. Les laboratoires étrangers, dirigés par le Dr Jianping YU (Etats-Unis) et le Dr Pia Lindberg (Suède), deux experts en production de biofuels, ont construit les souches de cyanobactéries et mesureront la production de biofuels par les mutants créés dans ce projet.