Improvement of Saccharomyces cerevisiae bioethanol yield through minimization of glycerol yield : microbiologic and Metabolic engineering integrative approach

Ces travaux visaient à étudier la possibilité de réduire la production de glycérol chezSaccharomyces cerevisiae, afin d’améliorer le rendement éthanol, tout en préservant les capacités decroissance et de production des levures. La production minimale de glycérol nécessaire à la croissancea été déterminée à l'aide d'un modèle de calcul des flux métaboliques. Des souches présentant uneactivité des enzymes de la voie de production du glycérol modulée, afin de s'approcher au plus près del'activité minimale nécessaire estimée in silico, ont été utilisées.Cette stratégie d’ajustement de l’activité de la voie de synthèse du glycérol a permis, encondition aérobie, de réduire de 88 % le rendement glycérol et d'améliorer le rendement éthanol de4,7 % sans modifier la tolérance des mutants à l'éthanol, mais au détriment de la vitesse spécifique decroissance, légèrement réduite. En condition anaérobie, une diminution de 61 % du rendementglycérol et une amélioration de 7 % du rendement éthanol ont pu être obtenues, mais au détriment dela vitesse spécifique de croissance,qui subit une sévère diminution, et de la tolérance à l'éthanol,qui estréduite.L'analyse fine des résultats, grâce à un modèle métabolique, a permis de mettre en évidence,chez les souches mutantes, un besoin accru en énergie, interprété comme la traduction d'une plusgrande difficulté à gérer le stress du procédé et une réorganisation du métabolisme oxydo-réductif,interprétée comme l'impact de la réduction du glycérol sur les voies de réoxydation du cofacteurNADH dans les cellules.Ces résultats ont permis de valider la pertinence de la stratégie de réajustement des fluxmétaboliques, assistée par modélisation stoechiométrique pour l'amélioration des souches, mais aussid'accroître la compréhension du rôle physiologique du glycérol et son intégration au métabolismecellulaire.This work aimed to assess the possibility of reducing Saccharomyces cerevisiae's glycerolproduction, in order to improve ethanol yield, without altering the abilities of yeasts to grow andproduce ethanol. Minimum glycerol production required for growth was found, thanks to a metabolicflux calculation model. Strains showing a fine tuned activity in the glycerol synthesis pathway enzymeswere used, to get close to the minimum activity established in silico.This fine tuning strategy lead, in aerobiosis, to a 88 % glycerol yield decrease together with a4.7 % ethanol yield increase, with no reduction of mutants'ethanol tolerance, but there is a slightdecrease of the growth rate. In anaerobiosis, a 61 % glycerol yield decrease, together with a 7 %ethanol yield increase were obtained, but mutant strains suffered of a sharp growth rate reduction anda decrease in their ethanol tolerance.A close analysis of the results, with the help of a metabolic model, highlighted both an increaseof mutants' energy requirements, interpreted as an increased difficulty to cope with osmotic stress,and a reorganisation of their oxydo-reductive metabolism, interpreted as glycerol reduction's impacton the NADH cofactor reoxydation pathway.These results validated the relevance of metabolic fine-tuning, assisted with in silicostoichiometric model for strains improvement and they increased the understanding of the integrationof glycerol in cell metabolism as well as its physiological role