Long Liu, Yanfeng Liu, Jianghua Li et Guocheng Du
La N-acétyl glucosamine (GlcNAc) est un composé important sur le plan pharmaceutique et nutraceutique, aux applications variées. Il est aujourd'hui principalement produit par hydrolyse à partir de carapaces de crabe et de crevette, qui peuvent provoquer une grave pollution environnementale et présenter un risque potentiel de réactions allergiques. Dans ce travail, nous avons obtenu la surproduction de GlcNAc par ingénierie métabolique systémique de Bacillus subtilis, une souche généralement considérée comme sûre. Plus précisément, la voie de synthèse de la GlcNAc a été renforcée par la co-surexpression de la Glucosamine-6-phosphate (GlmS) synthase et de la GlcNAc-6-phosphate N-acétyl transférase (GNA1) qui a permis la production de GlcNAc (240 mg/L). Ensuite, la voie d'absorption de la GlcNAc et la voie de dégradation intracellulaire ont été entièrement bloquées par l'inactivation de tous les gènes codants dans la voie catabolique de la GlcNAc pour faciliter l'accumulation de la GlcNAc. Ensuite, pour équilibrer et renforcer la voie de synthèse de la GlcNAc, un système d'échafaudage guidé par l'ADN a été introduit et le titre de GlcNAc a été augmenté de 1,83 g/L à 4,55 g/L. De petits ARN régulateurs synthétiques ont ensuite été utilisés pour optimiser le niveau d'expression des enzymes clés dans les nœuds du réseau lié à la GlcNAc, notamment la 6-phosphofructokinase (Pfk) et la phospho glucosamine mutase (GlmM). Le titre de GlcNAc a été amélioré à 8,30 g/L par régulation modulaire des activités des modules liés à la GlcNAc. Dans la fermentation en discontinu, le titre de GlcNAc a été encore augmenté à 31,65 g/L, soit 3,8 fois celui du flacon agité. Enfin, pour comprendre la cinétique des changements de métabolites dans la voie de synthèse de la GlcNAc et la glycolyse, une métabolomique ciblée et un étiquetage dynamique ont été mis en œuvre. La déphosphorylation inefficace de GlcNAc6P et la phosphorylation indésirable de GlcNAc ont été identifiées comme une étape limitant la vitesse de synthèse de GlcNAc, ce qui a permis d'orienter l'avenir vers une optimisation plus poussée de la voie. Les stratégies d'ingénierie métabolique des systèmes utilisées peuvent être utiles pour la construction d'usines cellulaires polyvalentes de B. subtilis pour la production d'autres produits chimiques importants sur le plan industriel. Les polymères à haute résistance, tels que les fibres d'aramide, sont des matériaux importants dans la technologie spatiale. Pour obtenir ces matériaux dans des endroits éloignés, comme Mars, la production biologique est intéressante. Le précurseur de polymère aromatique, l'acide para-aminobenzoïque (pABA), peut être dérivé de la voie du shikimate grâce à l'ingénierie métabolique de Bacillus subtilis, un organisme adapté à la biologie synthétique spatiale. Notre stratégie d'ingénierie comprenait la réparation de l'indole-3-glycérol phosphate synthase défectueuse (trpC), l'inactivation d'un isozyme de chorismate mutase (aroH) et la surexpression de l'aminodésoxychorismate synthase (pabAB) et de l'aminodésoxychorismate lyase (pabC) des bactéries Corynebacterium callunae et Xenorhabdus bovienii respectivement. De plus, une enzyme de protéine de fusion (pabABC) a été créée pour canaliser le flux de carbone. En utilisant l'évolution adaptative, des mutants de la souche de production, capables de métaboliser le xylose, ont été créés,explorer et comparer la capacité de production de pABA à partir de différentes sources de carbone. Plutôt que l'efficacité du substrat ou la performance de la voie biochimique, la toxicité du produit, qui dépendait fortement du pH, semblait être le facteur limitant global. Le titre le plus élevé atteint dans les flacons agités était de 3,22 gl−1 avec un rendement en carbone de 12,4 % [C†mol/C†mol] à partir d'un sucre aminé. Cela promet l'adéquation du système à l'utilisation des ressources in situ (ISRU) dans la biotechnologie spatiale, où les matières premières qui peuvent être dérivées du lysat de cellules cyanobactériennes jouent un rôle. Les plastiques et les polymères sont non seulement omniprésents dans notre vie quotidienne, mais sont potentiellement d'une importance encore plus grande dans la technologie spatiale. Le polyéthylène téréphtalate biaxialement orienté (BoPET, nom commercial Mylar®) est apprécié pour sa résistance élevée à la traction, sa stabilité chimique et dimensionnelle, ses propriétés de barrière et son isolation électrique ; Les couches de BoPET métallisé sont par exemple utilisées dans les ballons à haute altitude ainsi que dans les combinaisons spatiales pour l'isolation thermique et la résistance aux radiations. Les aramides, comme le tissu et le matériau en feuille Kevlar®, présentent des propriétés tout aussi exceptionnelles, notamment une ténacité et un module de résistance élevés, une faible fatigue en flexion, ainsi qu'une excellente stabilité chimique et thermique et également une résistance aux radiations. Par conséquent, ils sont idéaux pour une gamme d'applications spécialisées, y compris la protection balistique. Le fait que ces matériaux soient particulièrement adaptés à la construction de combinaisons environnementales et d'habitations dans la technologie spatiale montre leur utilisation dans les engins spatiaux gonflables comme ceux de Bigelow Aerospace® (NASA, 2017). Les matières premières des polymères aromatiques sont généralement dérivées de combustibles fossiles, qui ne sont ni durables à long terme sur Terre, ni disponibles dans l'espace ou dans des destinations telles que la lune ou Mars. L'ingénierie métabolique peut fournir la technologie pour résoudre ce problème, en permettant la production de précurseurs de bioremplacement grâce à l'utilisation des ressources in situ (ISRU). L'ISRU vise à utiliser la biologie synthétique pour réapprovisionner les matières premières des missions d'exploration de l'espace lointain (Rothschild, 2016). Les voies métaboliques microbiennes donnent naissance à de nombreux composés qui peuvent potentiellement remplacer les produits chimiques actuellement à base de pétrole par des produits d'origine biologique ou les remplacer par des alternatives d'origine biologique. Cela comprend une multitude de composés aromatiques et dérivés d'aromatiques (Averesch et Krömer, 2018). L'acide para-aminobenzoïque (pABA), un intermédiaire de la voie du shikimate, est l'un de ces composés aromatiques aux applications polyvalentes : il est utilisé comme agent de réticulation pour les résines et les colorants, comme précurseur dans l'industrie pharmaceutique et comme agent thérapeutique lui-même (par exemple, comme médicament POTABA®). Le pABA peut également être converti en acide téréphtalique (Farlow et Krömer, 2016), comme matière première pour la production de PET/Mylar®. Il peut également être possible de convertir le pABA en para-phénylènediamine (par exemplevia la réaction de Kochi ou de Hunsdiecker suivie d'une substitution nucléophile), qui est (outre l'acide téréphtalique) le deuxième monomère de la fibre aramide Kevlar®. De plus, le pABA peut également être polymérisé avec lui-même (Morgan, 1977), ce qui peut potentiellement donner un para-aramide avec une structure moléculaire analogue au Kevlar®. La faisabilité de la production microbiologique de pABA pour être utilisé comme précurseur industriel a été démontrée pour la première fois en utilisant la levure Saccharomyces cerevisiae (Krömer et al., 2013), où un titre de 0,03 gl−1 (0,22 mM) a été atteint en utilisant le glucose comme seule source de carbone. Français Dans une étude de suivi dédiée, le titre a pu être augmenté à 0,22 gl−1 (1,57 mM) à partir de glycérol/éthanol (Averesch et al., 2016). De plus, des bactéries ont été utilisées pour la production de pABA. Chez Escherichia coli, une concentration de 4,8 gl−1 (35 mM) a été atteinte à partir du glucose (Koma et al., 2014), tandis que la production la plus élevée à ce jour a été accomplie avec Corynebacterium glutamicum, atteignant 43,06 gl−1 (314 mM) à partir du glucose (Kubota et al., 2016). Pour tirer parti de cette technologie dans l'espace et permettre à terme la synthèse de fibres d'aramide, il serait hautement souhaitable de produire du pABA dans Bacillus subtilis, l'organisme le plus adapté à la biologie synthétique spatiale. Bacillus subtilis forme des endospores (Nicholson et al., 2000; Horneck et al., 2010), qui sont extrêmement résistantes à plusieurs paramètres environnementaux tels que la sécheresse, la salinité, le pH et les solvants et restent viables pendant des décennies; tant qu'elles sont protégées des rayons UV, elles endurent même le vide spatial (Horneck, 1993). Biographie Long Liu est actuellement professeur à vie à l'École de biotechnologie de l'Université de Jiangnan, à Wuxi, en Chine. Il travaille dans le domaine de l'ingénierie des bioprocédés et de l'ingénierie métabolique, avec une référence particulière à l'optimisation et au contrôle des bioprocédés. Il est l'auteur de 2 livres, 3 chapitres de livres, 7 articles de synthèse, 20 brevets, 37 articles de recherche dans des revues SCI et 10 actes de conférence. Il a reçu le premier prix du progrès scientifique et technologique du Jiangsu, Chine (2010), le premier prix du progrès scientifique et technologique de la Fédération chinoise de l'industrie pétrolière et chimique (2011), le prix de l'invention technologique du Conseil national de l'industrie légère de Chine (2013) et le prix d'Excellent jeune professeur du Jiangsu, Chine (2014). longliu@jiangnan.edu.cnFrançais De plus, des bactéries ont été utilisées pour la production de pABA. Chez Escherichia coli, une concentration de 4,8 gl−1 (35 mM) a été atteinte à partir du glucose (Koma et al., 2014), tandis que la production la plus élevée à ce jour a été accomplie avec Corynebacterium glutamicum, atteignant 43,06 gl−1 (314 mM) à partir du glucose (Kubota et al., 2016). Pour exploiter cette technologie dans l'espace et permettre à terme la synthèse de fibres d'aramide, il serait hautement souhaitable de produire du pABA dans Bacillus subtilis, l'organisme le plus adapté à la biologie synthétique spatiale. Bacillus subtilis forme des endospores (Nicholson et al., 2000 ; Horneck et al., 2010), qui sont extrêmement résistantes à plusieurs paramètres environnementaux tels que la sécheresse, la salinité, le pH et les solvants et restent viables pendant des décennies ; Tant qu'ils sont protégés des rayons UV, ils supportent même le vide spatial (Horneck, 1993). Biographie Long Liu est actuellement professeur à vie à l'École de biotechnologie de l'Université de Jiangnan, à Wuxi, en Chine. Il travaille dans le domaine de l'ingénierie des bioprocédés et de l'ingénierie métabolique, en particulier dans le domaine de l'optimisation et du contrôle des bioprocédés. Il est l'auteur de 2 livres, 3 chapitres de livres, 7 articles de synthèse, 20 brevets, 37 articles de recherche dans des revues SCI et 10 articles de conférence. Il a reçu le premier prix du progrès scientifique et technologique, Jiangsu, Chine (2010), le premier prix du progrès scientifique et technologique, Fédération chinoise de l'industrie pétrolière et chimique (2011), le prix de l'invention technologique du Conseil national de l'industrie légère de Chine (2013) et le prix d'Excellent jeune professeur du Jiangsu, Chine (2014). longliu@jiangnan.edu.cnFrançais De plus, des bactéries ont été utilisées pour la production de pABA. Chez Escherichia coli, une concentration de 4,8 gl−1 (35 mM) a été atteinte à partir du glucose (Koma et al., 2014), tandis que la production la plus élevée à ce jour a été accomplie avec Corynebacterium glutamicum, atteignant 43,06 gl−1 (314 mM) à partir du glucose (Kubota et al., 2016). Pour exploiter cette technologie dans l'espace et permettre à terme la synthèse de fibres d'aramide, il serait hautement souhaitable de produire du pABA dans Bacillus subtilis, l'organisme le plus adapté à la biologie synthétique spatiale. Bacillus subtilis forme des endospores (Nicholson et al., 2000 ; Horneck et al., 2010), qui sont extrêmement résistantes à plusieurs paramètres environnementaux tels que la sécheresse, la salinité, le pH et les solvants et restent viables pendant des décennies ; Tant qu'ils sont protégés des rayons UV, ils supportent même le vide spatial (Horneck, 1993). Biographie Long Liu est actuellement professeur à vie à l'École de biotechnologie de l'Université de Jiangnan, à Wuxi, en Chine. Il travaille dans le domaine de l'ingénierie des bioprocédés et de l'ingénierie métabolique, en particulier dans le domaine de l'optimisation et du contrôle des bioprocédés. Il est l'auteur de 2 livres, 3 chapitres de livres, 7 articles de synthèse, 20 brevets, 37 articles de recherche dans des revues SCI et 10 articles de conférence. Il a reçu le premier prix du progrès scientifique et technologique, Jiangsu, Chine (2010), le premier prix du progrès scientifique et technologique, Fédération chinoise de l'industrie pétrolière et chimique (2011), le prix de l'invention technologique du Conseil national de l'industrie légère de Chine (2013) et le prix d'Excellent jeune professeur du Jiangsu, Chine (2014). longliu@jiangnan.edu.cnPremier prix du progrès scientifique et technologique de la Fédération chinoise de l'industrie pétrolière et chimique (2011), prix de l'invention technologique du Conseil national de l'industrie légère de Chine (2013) et prix du meilleur jeune enseignant du Jiangsu, Chine (2014). longliu@jiangnan.edu.cnPremier prix du progrès scientifique et technologique de la Fédération chinoise de l'industrie pétrolière et chimique (2011), prix de l'invention technologique du Conseil national de l'industrie légère de Chine (2013) et prix du meilleur jeune enseignant du Jiangsu, Chine (2014). longliu@jiangnan.edu.cn
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