Génie génétique et conception d’un procédé continu pour la production de surfactine dans des bioréacteurs à biofilm avec Bacillus subtilis 168

Les bioréacteurs à biofilm représentent une technologie prometteuse pour la production continue de biosurfactants microbiens grâce à la robustesse naturelle des cellules immobilisées et à la conception possible de procédés évitant la formation de mousse. La souche bactérienne B. subtilis 168 a le potentiel de produire de la surfactine, un biosurfactant puissant qui possède des activités biologiques exceptionnelles ayant des applications industrielles diverses. Cependant, B. subtilis 168 ne présente que de faibles capacités de formation de biofilms et donc entraîne des capacités d'adhésion cellulaire limitées. Afin d'améliorer l'immobilisation cellulaire naturelle de B. subtilis 168 et pour mieux adapter cette souche à la culture de biofilms, des mutants filamenteux avec une production d'exopolysaccharides (EPS) restaurée ont été générés. Les impacts des modifications génétiques ont été évalués par des tests de colonisation et en mesurant la capacité de formation de biofilm sous faible contrainte de cisaillement dans un réacteur à écoulement goutte à goutte (DFR). Par la suite, les souches les plus performantes ont été sélectionnées et cultivées dans un bioréacteur à biofilm à film tombant continu contenant des éléments de garnissage métallique structurés pour la formation de biofilm. De plus, un modèle de croissance bactérienne a été développé pour décrire la dynamique de croissance des cellules planctoniques et du biofilm dans le système. Le développement des colonies a été fortement affecté par la croissance des cellules filamenteuses et la production d'EPS ce qui s’est manifesté par une capacité accrue d'étalement de surface et de colonisation. Dans le DFR et le bioréacteur à biofilm à film tombant, les mutants EPS+ ont montré des performances significativement augmentées concernant la formation de biofilm et les capacités de production de surfactine. La filamentation cellulaire a eu un impact mineur sur le procédé mais a contribué à une meilleure cohésion cellulaire dans le biofilm et a également conduit à un détachement cellulaire réduit pendant la culture. Ainsi, la production d'EPS et la croissance des cellules filamenteuses ont considérablement contribué à l'amélioration des performances du procédé dans le système. De plus, la culture en mode continu s'est révélée favorable à une production élevée en surfactine. Les données expérimentales du bioréacteur à biofilm à film tombant sont concordantes avec celles obtenues par des simulations avec le modèle de croissance développé. Par conséquent, le modèle de croissance a été validé avec succès et pourrait être utilisé pour une optimisation ultérieure de procédés à biofilm.Biofilm bioreactors show promise for continuous microbial biosurfactant production due to the natural robustness of self-immobilized cells and the possible design of processes avoiding foam formation. The widely used bacterial strain B. subtilis 168 has the potential to produce surfactin, a powerful biosurfactant with exceptional biological activities and various industrial applications. However, B. subtilis 168 exhibits only poor biofilm formation capacities and thus entails limited cell adhesion capacities. In order to improve the natural cell immobilization of B. subtilis 168 to adapt this strain better to biofilm cultivation, filamentous mutant strains with restored exopolysaccharide (EPS) production were generated. The impacts of the genetic modifications were evaluated through colonization assays and by measuring the biofilm formation capacity under low shear stress in a drip-flow reactor (DFR). Subsequently, the most performant strains were selected and cultivated in a newly designed continuous trickle-bed biofilm bioreactor containing highly structured metal packing elements for biofilm formation. Moreover, a bacterial growth model was built able to describe the growth dynamics of the planktonic cell and biofilm population in the system. The colony development was strongly affected by filamentous cell growth and EPS production which was manifested through an enhanced surface spreading and colonization capacity. In the DFR and trickle-bed biofilm bioreactor, the EPS+ mutants showed significantly increased performances regarding the biofilm formation and surfactin production capacities. Whereas cell filamentation had a minor impact on the processes, but contributed to a better cell cohesion in the biofilm and led to reduced cell detachment during the cultivation. Thus, EPS production and filamentous cell growth contributed considerably to an improved process performance in the system. In addition, continuous fermentation has shown to be favorable for a high surfactin productivity. The experimental data from the trickle-bed biofilm bioreactor were in good accordance with those obtained by simulations with the developed growth model. Hence, the growth model has been successfully validated and could be used for further process optimization