Thèse : Contrôle génétique de la croissance et des conditions de culture pour maximiser la production biotechnologique chez E. coli - Thibault Clavier

Le défi majeur pour la production de métabolites ou de protéines par la biotechnologie consiste à maximiser le rendement (quantité du composé d'intérêt produit pas quantité de nourriture consommée) ou la productivité (quantité du composé d'intérêt produit par unité de temps). Nous proposons de relever ces défis par une combinaison d'ingénierie génomique chez E. coli et des technologies de procédés, basées sur le contrôle optimale par optogénétique. Nous avons construit une souche d'E. coli dans laquelle le taux de croissance est sous le contrôle d'un signal chimique externe, l'IPTG. Cette souche arrive à un rendement de notre métabolite modèle, glycérolé, proche du maximum théorique (Izard et al, 2015). Nous avons augmenté la stabilité de la souche (non publié), permettant la production en continue pendant des semaines ou des mois. Nous avons également développé un système de mini-bioréacteurs multiplexé et automatique, permettant un contrôle et suivi en temps réel de tous les paramètres de la croissance. En particulier, nous pouvons imposer à la culture bactérienne des schémas de contrôle très complexes en utilisant l'optogénétique. La première partie du projet consiste à remplacer le contrôle chimique de la croissance par un contrôle optogénétique et de caractériser cette nouvelle souche. Cet outil permet de répondre à des questions fondamentales d'allocation de ressources chez les bactéries. En collaboration avec les bioinformaticiens de l'INRIA, nous avons développé un modèle mathématique des bactéries et du système des bioréacteurs. Nous pouvons maintenant utiliser la « théorie du contrôle » pour atteindre un objective souhaité, par exemple une balance optimale entre rendement et productivité (de Jong et al, 2017a). La deuxième partie du projet consiste à explorer différentes stratégies de contrôle et mesurer la performance des cultures dans les bioréacteurs, y inclus la gestion de l'inhibition de la croissance par des métabolites sécrétés comme l'acétate (Pinhal et al, 2019). Le projet de thèse est donc une combinaison entre recherche fondamentale et appliquée. La caractérisation de la souche à contrôle optogénétique ouvre de nouvelles possibilités pour sonder les stratégies naturelles d'allocation de ressources par les bactéries. Le contrôle optimal du procédé conduira au transfert de la technologie vers des applications biotechnologiques. Le projet est interdisciplinaire : une partie majeure du projet consiste à exécuter les expériences biologiques ; l'environnement d'un laboratoire de physique permet le développement d'un système de bioréacteurs et la collaboration avec l'équipe de bio-informatique fournit les outils pour mettre en place un contrôle optimale du processus.