Approches de biologie synthétique et des systèmes pour l’ingénierie et la compartimentation des voies métaboliques d’utilisation du méthanol chez E. coli – ECOMUT

Pour mener à bien ce projet, nous avons associé une approche de biologie synthétique à une compréhension de la méthylotrophie à l’échelle du systéme. Plus précisément, nous utilisons un modèle comme point de départ pour analyser le métabolisme et des technologies «omiques» (Biologie des systèmes). Nous apprenons principalement en comparant les prédictions générées par la modélisation à des expériences. Les résultats peuvent être similaires, cependant, nous attendons également les divergences entre les prévisions du modèle et les données expérimentales à partir desquelles nous pourrons obtenir de nouvelles informations scientifiques sur la méthylotrophie. La comparaison des méthylotrophes synthétiques avec des méthylotrophes naturels connus en tant que référence nous apprendra à quel point nos connaissances biologiques dans le domaine sont avancées. Nous explorons et testons également de «nouvelles» solutions, par exemple en créant des modules composés d’enzymes jusqu’à présent inconnues pour agir ensemble dans une voie métabolique (Biologie de synthèse). De plus, nous appliquons des stratégies d'évolution dirigée. Ces expériences permettront de générer de nouvelles connaissances sur les étapes enzymatiques et les phénomènes de régulation impliqués dans la méthylotrophie.

Sur la base de la génomique et des connaissances expérimentales de différents organismes méthylotrophes naturels, nous avons utlisé des approches de modélisation in silico pour concevoir des combinaisons idéales de gènes permettant à la méthylotrophie de se produire dans un hôte non méthylotrophe À partir de cette analyse, nous avons sélectionné une voie de synthèse composée de deux enzymes, à savoir une méthanol déshydrogénase (Mdh) et une dihydroxyacétone synthase (Das), qui permettent la conversion du méthanol en dihydroxyacétone (DHA) et glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P), des métabolites pouvant entrer la glycolyse. Nous avons ensuite testé une librairie (au total 256 combinaisons) d’enzymes orthologues de la Mdh et de la Das par des des expériences de marquage au 13C à haut débit. Cette approche nous permis d’évaluer la fonctionnalité in vivo de ces combinaisons et de sélectionner la meilleure. Ensuite, le flux de carbone à travers la voie de biosynthèse a été augmenté en assommant et / ou en surexprimant les enzymes clés du métabolisme du DHA. Enfin, la souche méthylotrophe synthétique a été soumise à une évolution adaptative à long terme afin de sélectionner des variants capables de croitre uniquement sur le méthanol en tant que source de carbone et d’énergie.

Ce projet va nous permettre non seulement de générer de nouvelles connaissances fondamentales du métabolisme en C1, mais également de fournir une plate-forme biologique capable de transformer le méthanol en n’importe quelles molécules d’intérêt. Ce projet ouvre donc de nouvelles perspectives économiques à l’industrie du méthanol.

Pour le moment, ces travaux ont abouti à la publication d'un article, d'un brevet, de 3 communications orales et d'un poster.

Avec une production mondiale plus de 100 millions de tonnes et un prix diminuant, le méthanol apparait comme une ressource complémentaire et non-alimentaire intéressante. Son approvisionnement possible à partir de ressources fossiles et renouvelables en fait une matière première étonnamment souple et durable. Ce substrat en C1 est utilisé par un groupe spécialisé de microorganismes : les méthylotrophes, comme seule source de carbone et d’énergie pour la croissance. Bien que des travaux démontrent le potentiel des méthylotrophes naturelles en biotechnologies, la domestication de ces organismes n’est pas suffisamment avancée pour établir des procédés industriels viables. C’est pourquoi ECOMUT propose d’intégrer la méthylotrophie chez un microorganisme reconnu d’intérêt industriel Escherichia coli. L’idée étant de valoriser le méthanol en s’appuyant sur le vaste potentiel biotechnologique de ce microorganisme. Les approches combinées de biologie des systèmes et de synthèse mise en œuvre dans ce projet nous permettront non seulement de générer de nouvelles connaissances fondamentales du métabolisme en C1, mais également de fournir une plate-forme biologique capable de transformer le méthanol en n’importe quelles molécules d’intérêt. ECOMUT ouvre donc de nouvelles perspectives économiques à l’industrie du méthanol.