Dynamic behavior of the physiological response of Escherichia coli to substrate perturbations in well-controlled environments : for developing new tools for bioprocess scaling-up

Les bioréacteurs de grandes dimensions, en raison de phénomènes de transfert limitant, sont le siège d’hétérogénéités se traduisant par des gradients locaux de concentration et température. Les microorganismes circulant au sein de ces bioréacteurs subissent donc des fluctuations environnementales qui peuvent affecter leur comportement aux niveaux métaboliques et/ou moléculaires. La réponse microbienne est fonction de la nature, de l’intensité, de la fréquence et de la durée de la perturbation. L’objectif de ce travail est l’étude quantitative de l’impact de l’intensité, la fréquence et l’amplitude d’un stress nutritionnel sur le comportement dynamique d’Escherichia coli, à savoir des ajouts pulsés de glucose lors de cultures continues en régime permanent. Un effort particulier est consacré au développement et à la validation des outils expérimentaux indispensables pour une caractérisation rigoureuse des dynamiques de réponses transitoires sur des échelles de temps allant de secondes à quelques minutes. Pour permettre le suivi in situ et en temps réel des changements métaboliques et moléculaires, une souche bioluminescente est mise en œuvre. Les réponses transitoires sont caractérisées par les vitesses spécifiques, les rendements, les profils d’induction transcriptionnelle, les temps caractéristiques. Selon les différents scenarii réalisés, l’ajustement du métabolisme face aux hétérogénéités de substrat est quantifié selon des échelles de temps aux niveaux macroscopiques et/ou moléculaires ; ces résultats originaux contribuent ainsi à l’implémentation des connaissances sur les interactions dynamiques entre les phénomènes biologiques et les phénomènes physiques ; l’enjeu réside à terme en l’amélioration des processus d’optimisation et d’extrapolation des bioprocédés par l’identification et la quantification des dynamiques des phénomènes limitantsIneffective mixing entailing heterogeneity issues within industrial bioreactors have been reported to affect microbial metabolisms at cellular and/or molecular levels. Substrate gradients inside large-scale bioreactors are common environmental fluctuations that microorganisms would have to encouter along with the bioprocess. Depending on intensity, frequency and duration of those fluctuations, microorganisms may respond in a different manner. The objective of this work is to study the impact of intensity, frequency and amplitude of glucose perturbations on the dynamics of Escherichia coli responses. An E. coli bioluminescent strain is used for in situ and real-time monitoring of both metabolic and transcriptional changes. For this purpose, short-term glucose excess was simulated, using pulse-based experiments into glucose-limited chemostat cultures. In addition, an important effort is devoted to the development and validation of technical and mathematical tools in order to acquire quantitative and kinetic data on time scales from seconds to minutes. The transient responses are characterized, using specific rates, yields, transcriptional induction profiles and characteristic response times, and are compared in the different defined perturbation scenarios. The results reflected the fact that short-term heterogeneities of substrate affect both cell metabolism and regulation at macroscopic and/or molecular levels. Quantitative understandings of the dynamics during transient responses to environmental perturbations can thus shed light on the bioprocess optimizatio