Clostridium beijerinckii DSM 6423, an emerging platform strain for solvent bioproduction

Clostridium beijerinckii DSM 6423 est une souche bactérienne atypique capable de fermenter une variété de substrats et de produire naturellement un mélange de solvants composé d’isopropanol, de butanol et d’éthanol (IBE). Malgré ce potentiel, des limitations subsistent pour son utilisation dans un procédé de synthèse d’isopropanol biosourcé. En particulier, sa faible sélectivité envers cet alcool et sa faible tolérance au mélange de solvants réduisent la quantité de produits récupérables. Ces défauts pourraient être corrigés par des modifications ciblées du génome de cette souche, mais ceci passe par le développement d’outils génétiques, jusqu’à présent inexistants pour cette bactérie, et une meilleure compréhension de son métabolisme. Dans ce contexte, une première thèse réalisée à IFPEN a permis d’établir sa carte génétique et d’isoler de premiers mutants présentant une tolérance accrue à l’isopropanol.Dans la continuité de ces premiers résultats, les travaux de thèse présentés dans ce manuscrit se sont d’abord attachés à développer des outils de génétique ciblée performants. L’utilisation de plasmides Dam- Dcm- a permis pour la première fois de transformer ce microorganisme avec succès, ouvrant la voie au développement d’un outil basé sur la technologie CRISPR-Cas9, qui révolutionne l’ingénierie génétique en modifiant les génomes de manière itérative et sans laisser de trace. Comme preuve de concept, les 2 gènes CIBE_0562 (upp) et CIBE_3859 (catB) ont été inactivés. Cette deuxième modification a rendu ce micro-organisme sensible au thiamphénicol et compatible avec un système CRISPR à deux plasmides développé précédemment à IFPEN pour modifier le génome d’une souche solvantogène de référence, Clostridium acetobutylicum. Après suppression du plasmide endogène pNF2, les efficacités de transformation de la souche ont été drastiquement accrues, nous permettant ainsi d’obtenir une souche plateforme ∆catB ∆pNF2 qui pourra constituer le point de départ de la construction d’une souche performante pour la production d’isopropanol.Parallèlement au développement de ces outils génétiques, ma thèse s’est également consacrée à la caractérisation du microorganisme par plusieurs approches. La première a consisté à déterminer l’impact de différents substrats, modèles ou industriels, sur les performances et le métabolisme de la souche. Après sélection de trois substrats (glucose, saccharose, mélasse de betterave), un procédé de fermentation continue a été mis au point pour isoler les deux états physiologiques caractéristiques d’une fermentation IBE, puis couplé à une analyse multi-omiques. Les résultats préliminaires, s’appuyant sur les données obtenues par protéomique, soulignent l’impact très important de l’utilisation de substrats industriels sur la croissance.Deuxièmement, une approche transcriptomique, le Capp-Switch sequencing, a été employée pour cartographier, à l’échelle du génome, l’ensemble des sites d’initiation de la transcription (TSS) pour la souche DSM 6423 et deux autres souches solvantogènes de référence. Une analyse comparative des TSS a notamment révélé une régulation différentielle de l’opéron de synthèse du butyryl-CoA entre les espèces C. beijerinckii et C. acetobutylicum.Bien que non prévu au début de ce travail, le séquençage d’un mutant obtenu lors de travaux précédents et incapable de produire de l’isopropanol (souche AA), puis la reconstruction de son phénotype dans une souche modèle de C. beijerinckii, a par ailleurs révélé le rôle fondamental du facteur σ54 pour le contrôle des voies de synthèse des solvants et d’assimilation de sucres alternatifs.En conclusion, en approfondissant nos connaissances sur C. beijerinckii DSM 6423 et en permettant des modifications ciblées de son génome, ma thèse s’inscrit dans un ensemble de travaux menés à IFPEN visant à faire de cette souche un organisme modèle pour la fermentation IBE, permettant à terme la bioproduction d’isopropanol à échelle industrielle.Clostridium beijerinckii DSM 6423 is an atypical bacterial strain which can ferment a wide array of substrates and naturally produce a solvent mixture composed of isopropanol, butanol and ethanol (IBE). Despite its potential, the prospect of using this microorganism for a biobased isopropanol synthesis process remains limited. In particular, its poor selectivity to this alcohol and its weak tolerance to the solvent mixture reduce isopropanol recoverability, although these drawbacks might be alleviated by targeted genome editing approaches. For this matter, developing genetic tools, that were until this work inexistent for this bacterium, and increasing our knowledge of its metabolism are important steps. In this context, a first IFPEN thesis did the ground work by drawing its genetic map and isolating isopropanol-tolerant mutants.Based on this context, my thesis first aimed at developing efficient targeted genetic tools for this relevant strain. Use of Dam- Dcm- plasmids permitted for the first time the successful transformation of this microorganism, enabling the development of a reusable, scarless, genome editing tool based on the CRISPR-Cas9 technology. As a proof of concept, the 2 genes CIBE_0562 (upp) and CIBE_3859 (catB) were inactivated. This second modification made the strain sensitive to thiamphenicol and allowed the use of a dual-plasmid CRISPR system that had previously been engineered in IFPEN to modify the genome of a reference solventogenic species: Clostridium acetobutylicum. After the deletion of the pNF2 endogenous plasmid, transformation efficiencies were drastically increased, resulting in a ∆catB ∆pNF2 platform strain that may be used in the future to construct an efficient strain for isopropanol production.In addition to the development of these genetic tools, my thesis also aimed at characterizing the microorganism by different approaches. Firstly, we studied the impact of several model or industrial carbon sources on the strain performances and on its metabolism. Focusing on three substrates (glucose, sucrose, beetroot molasse), a continuous fermentation process was next designed to isolate the two IBE-characteristic physiological states and coupled to a multi-omic analysis. Proteomics preliminary results highlight the severe impacts of industrial substrates on growth.Secondly, the Capp-Switch sequencing transcriptomic approach was used to map transcription start sites (TSS) at the genome scale for the DSM 6423 strain and two other reference solventogenic strains. A comparative TSS analysis notably revealed a differential regulation of the butyryl-CoA synthesis operon between the C. beijerinckii and C. acetobutylicum species.Although initially not planned at the beginning of this work, the sequencing of the AA strain, one of the mutants that were obtained in the first thesis and that is unable to produce isopropanol, as well as a targeted genome approach reproducing its phenotype in a C. beijerinckii model strain, also revealed the crucial role of σ54 in controlling solvent synthesis and alternative sugar uptake pathways.To conclude, by deepening our knowledge on C. beijerinckii DSM 6423 and by allowing targeted genome editing approaches, my thesis is involved in a series of work conducted at IFPEN that aim at making this strain an IBE fermentation model organism, in order to use it for the bioproduction of isopropanol at the industrial scale