Thème "Understanding cell heterogeneity for mastering robustness in bioproduction"
Quelques mots sur le thème
Compréhension de l'hétérogénéité cellulaire
Cet axe concerne la compréhension de l’hétérogénéité cellulaire pour maîtriser la robustesse des souches microbiennes en condition de bioproduction intensive.
Les recherches développées dans cet axe portent sur la caractérisation et la quantification des stabilités génétique (génome et/ou plasmide) et non-génétique (épigénétique, expression de gènes, métabolisme) ainsi qu’aux variabilités des états physiologiques (capacité d’accumulation, viabilité, intégrité membranaire, etc) dans le cadre de procédés biotechnologiques. L’objectif est de quantifier les dynamiques de la réponse microbienne et de la robustesse des souches (à l’échelle de la population globale et des sous-populations) à des fluctuations d’environnement, des conditions de stress et des conditions de production intensive afin d’intensifier / optimiser les bioprocédés et leur changement d’échelle. De plus, l’étude des conséquences de la variabilité d’origine moléculaire sur l’hétérogénéité phénotypique intercellulaire est étudiée. Les travaux de cet axe sont réalisés dans la perspective de pouvoir utiliser l’ensemble de ces informations pour rétro-ingéniérer des souches microbiennes et améliorer leur comportement et robustesse en condition de bioproduction mais aussi, par la prise en compte de la distribution des sous-populations au cours du bioprocédé, de mettre en place des boucles de rétrocontrôle sur les stratégies de conduite des bioréacteurs. Il s’agit notamment de caractériser finement les conséquences des conditions de productions intensive (hétérogénéités dans les bioréacteurs, nombre de générations et densité cellulaire élevée) sur l’hétérogénéité intercellulaire, afin de développer des outils de contrôle/rétrocontrôle.
Les projets
Projet ConCO2rde
H2020-MSCA-ITN ConCO2rde (2021-2025) : Training network on the conversion of CO2 by smart autotrophic biorefineries (H2020-MSCA-ITN ConCO2rde)
L’ITN CONCO2RDE EJD est un réseau de formation par la recherche de 11 doctorants sur des projets de recherche de pointe alliant biologie synthétique, ingénierie métabolique et génie des bioprocédés pour la transformation microbienne du CO2/H2/air en molécules d’intérêt diverses. L’objectif final sera d’établir une feuille de route pour la mise en œuvre des biotransformations autotrophes à l’échelle industrielle.
Partenaires : 5 Universités (INSA, Groningen, Aahen, Graz, Porto), 9 industriels (Total, Suez, Polymem, Evonik, Silantes, Zeta, ..)
Projet Collimator
ANR-22-PEBB-004 (PEPR B BEST) (2023-2028): COntroLLIng MetAbolic sTabilize Optimize pRoduction.
Le projet vise à développer des outils et des approches pour le développement de bioprocédés stables et robustes dans le temps. Pour ce faire, les niveaux de production doivent être adaptés en permanence pour contrebalancer les dérives génétiques/métaboliques ou les changements de population microbienne. Le projet a ainsi pour objectif :
- de concevoir une régulation génétique autonome, assistée ou contrôlée par l’utilisateur, du métabolisme microbien dans les bioréacteurs,
- de construire divers types de capteurs capables de mesurer les paramètres des cellules ou des espèces et
- de contrôler, en temps réel, les orientations métaboliques des microorganismes à l’aide de déclencheurs externes utilisables dans les bioréacteurs industriels.
Dans le cadre de ce projet, l’équipe est impliquée plus particulièrement dans le WP1 avec pour objectif de développer une approche de caractérisation in situ qualitative et quantitative des états physiologiques des cellules par cytométrie en flux couplée à une boucle de rétrocontrôle sur un actionneur du bioréacteur afin de mieux prendre en compte le comportement d’une population microbienne et pouvoir ajuster en conséquence les paramètres de conduites du fermenteur. Le microorganisme, par une mesure de son comportement, deviendrait en quelque sorte le pilote du bioréacteur. Le modèle d’étude repose sur la mise en œuvre de souches de S. cerevisiae génétiquement modifiées dont l’induction de la voie de synthèse hétérologue est sous le contrôle d’un promoteur photo-inductible (optogénétique) offrant ainsi un actionneur supplémentaire, la lumière, complémentaire des actionneurs plus classiques des bioréacteurs (pompe, balance, molécules chimiques).
https://www.insa-toulouse.fr/fiche-projet/31131-2/
Partenaires : INSA Toulouse (Coord.), Aix Marseille Université, Institut Curie, CNRS, INRAE
- Pour INSA (TBI (Coord.)
- Pour L’institut Curie (PCC-UMR168)
- Pour CNRS (BIP-UMR7281)
- Pour INRAE (LBE)
Projet OptisFuel
- 22-PEBB-0011 (PEPR B BEST) (2023-2028): New Proofs of Concept to OPTImize Sustainable FUEL production. Le projet OptisFuel propose de diminuer fortement les émissions globales de CO2 des procédés industriels de production de biocarburants de deuxième génération, en valorisant les molécules de carbone résiduelles et en travaillant sur des réacteurs à assistance électrique. Dans ce contexte, ce projet vise à développer des stratégies innovantes pour améliorer l’étape de fermentation de la production de biocarburants dans la bioraffinerie, développer de nouvelles alternatives pour la valorisation des effluents gazeux et proposer de nouvelles stratégies pour la valorisation de la lignine. Dans le cadre de ce projet, l’équipe est particulièrement impliquée dans le WP1, Tâche 2.1, à savoir la valorisation des flux gazeux (CO2/H2) en alcanes par des souches de necator génétiquement modifiées. Nous nous intéressons notamment à l’étude des facteurs impactants la stabilité et la robustesse de souches génétiquement modifiées de C. necator pour la production d’hydrocarbures en bioréacteur à partir de CO2.
Partenaires : IFPEN(Coord.), CNRS, INSA, CEA, CNRS, INRAE
- Pour INSA (TBI)
- Pour CNRS (TBI, IRCELYON – UMR5256)
- Pour CEA (DRT / LITEN / Département Thermique, Conversion et Hydrogène)
- Pour INRAE (TBI)
Projet PolyMorphoil
PolyMorphoil (2023-2026)
Etude de la transition dimorphique de Yarrowia lipolytica dans des conditions de production de lipides : analyse quantitative de la distribution de sous-populations avec différents morphotypes et capacités d’accumulation. Au cours des 30 dernières années, la production mondiale d’huiles et de graisses est passée d’environ 83,5 à plus de 223,0 millions de tonnes et devrait augmenter de manière significative dans les décennies à venir. Afin de répondre aux grands enjeux sociétaux de lutte contre le réchauffement climatique, l’épuisement des ressources fossiles, la mobilisation des surfaces agricoles, l’accroissement rapide de la population, il est devenu essentiel de rechercher des solutions de diversification des sources d’approvisionnement. À cet égard, les levures oléagineuses sont des candidats prometteurs, de par leur capacité à croître rapidement en bioréacteur, ainsi que pour leur capacité à moduler leur métabolisme et leur composition macroscopique en fonction des conditions de croissance. Yarrowia lipolytica connue pour ses capacités naturelles d’accumulation de lipides, et d’utilisation de sources de carbone diverses a été choisie. Cependant, en réponse aux fluctuations environnementales, lipolytica déclenche des transitions dimorphiques générant des difficultés de mise en œuvre des bioprocédés (perte de rendement, limitation des transferts, impact sur la rhéologie des milieux). Dans ce contexte, le projet porte sur l’étude de l’impact de la filamentation sur les capacités de production de lipides (titre et composition) et réciproquement. Différentes conditions environnementales et nutritionnelles seront étudiées afin d’identifier les mécanismes de régulation mis en œuvre. Par ailleurs, afin d’étudier l’impact des conditions environnementales sur la morphologie et la capacité d’accumulation lipidique des cellules, une analyse dynamique de la distribution des sous-populations sur la base des morphotypes et de l’accumulation de lipides sera suivie par une approche de « single-cell analysis » (cytométrie en/hors-ligne / cytométrie en image).