Étude de la voie de synthèse naturelle des alcanes/alcènes dans la microalgue modèle Chlamydomonas reinhardtii et génie génétique de cette microalgue pour produire et excréter ces composés // Study of the natural alkane/alkene synthesis pathway in the mod

Les microalgues sont des micro-organismes photosynthétiques eucaryotes à croissance rapide qui ont développé des mécanismes efficaces pour récolter et transformer l'énergie solaire en molécules riches en énergie telles que les lipides. Elles sont donc potentiellement d'excellentes usines cellulaires pour la production de carburants et de biomatériaux pour l'industrie chimique. Ces processus ne sont toutefois pas encore rentables, principalement en raison de la faible productivité de l'huile et des coûts élevés de la récolte de la biomasse et de l'extraction de l'huile. Une avancée majeure consisterait à créer des souches de microalgues produisant et excrétant des hydrocarbures dérivés d'acides gras (alcanes et alcènes). Pour atteindre cet objectif, l'équipe hôte a récemment réalisé des avancées significatives : i) découverte d'une nouvelle enzyme formant des alka(e)nes, la photodécarboxylase d'acide gras (FAP), qui convertit les acides gras libres en alka(e)nes, et caractérisation de la manière dont la FAP interagit avec ses substrats d'acide gras aux interfaces lipides-eau, ii) identification de nouveaux acteurs régissant l'accumulation et le renouvellement des acides gras dans les réserves d'huile (gouttelettes lipidiques).

Dans cette thèse, notre objectif est double : i) d'un point de vue fondamental, comprendre la manière dont les acides gras sont délivrés à la FAP dans le chloroplaste ainsi que le devenir des produits hydrocarbonés dans la microalgue verte modèle Chlamydomonas reinhardtii, ii) d'un point de vue biotechnologique, stimuler la synthèse et l'excrétion d'hydrocarbures dans cette microalgue. Pour atteindre cet objectif, nous visons spécifiquement à : i) identifier la (les) lipase(s) qui délivre(nt) les acides gras libres à la FAP et déterminer si des protéines spécifiques lient les produits hydrocarbonés dans les membranes, ii) essayer de stimuler la synthèse d'alka(e)ne en surexprimant la FAP dans le cytosol et en l'adressant aux gouttelettes lipidiques où la plupart des acides gras sont stockés (conjointement avec une lipase ou comme une chimère lipase-FAP), (iii) essayer d'augmenter la volatilité des hydrocarbures, et donc l'excrétion, en raccourcissant la longueur de la chaîne des acides gras sans augmenter leur dégradation, (iv) exprimer les transporteurs solubles dans les hydrocarbures connus et les transporteurs ABC connus au niveau de la membrane plasmique. Ces travaux devraient donc contribuer à améliorer notre compréhension du mécanisme détaillé de la génération d'alka(e)nes par la FAP et de leur devenir cellulaire. Au niveau biotechnologique, une stratégie innovante basée sur les gouttelettes lipidiques, la FAP et les hydrocarbures est proposée pour construire une première version d'une usine de cellules photosynthétiques eucaryotes excrétant des lipides.

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Microalgae are fast-growing eukaryotic photosynthetic microorganisms that have developed efficient mechanisms to harvest and transform solar energy into energy-rich molecules such as lipids. They are thus potentially great cell factories for production of fuels and biomaterials for the chemical industries. These processes are however still not profitable, mostly because of low oil productivity and high costs of biomass harvest and oil extraction. A major breakthrough would be to create microalgal strains producing and excreting fatty acid-derived hydrocarbons (alkanes and alkenes). Toward this goal, the host team has recently made significant advances: i) Discovery of a novel alka(e)ne-forming enzyme, the photoenzyme fatty acid photodecarboxylase (FAP), which converts free fatty acids to an alka(e)nes, and characterization of the way FAP interacts with its fatty acid substrates at lipid-water interfaces, (ii) Identification of novel players governing the accumulation and turnover of fatty acids in oil reserves (lipid droplets). In this thesis, our goal will be twofold: i) from a fundamental point of view, gain some insights into the way fatty acids are delivered to FAP in the chloroplast as well as into the fate of the hydrocarbon products in the model green microalga Chlamydomonas reinhardtii, ii) from a biotechnological point of view, boost hydrocarbon synthesis and excretion in this microalga. To achieve this goal, specifically, we aim to: i), identify the lipase(s) that is delivering free fatty acids to FAP and determine if any specific proteins bind the hydrocarbon products in membranes, ii) try to boost alka(e)ne synthesis by overexpressing FAP in the cytosol and addressing it to lipid droplets where most of the fatty acids are stored (together with a lipase or as a lipase-FAP chimera), (iii) try to increase hydrocarbon volatility, and thus excretion, by shortening the chain length of the fatty acids without increasing their degradation, (iv) express known hydrocarbon soluble transporters and known ABC transporters at the plasma membrane. This work should therefore contribute to increase our understanding of the detailed mechanism of the generation of alka(e)nes by FAP and of their cellular fate. At a biotechnological level, innovative strategy based on lipid droplets, FAP and hydrocarbons are proposed to build a first version of a eukaryotic photosynthetic cell factory excreting lipids.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix Marseille
Service : Service de Biologie Végétale et de Microbiologie Environnementale
Laboratoire : Laboratoire de Bioénergétique et Biotechnologie des Bactéries et Microalgues
Date de début souhaitée : 01-10-2024
Ecole doctorale : Sciences de la Vie et de la Santé (SVS)
Directeur de thèse : LI Yonghua
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/BIAM/SBVME/L3BM
URL : https://www.cite-des-energies.fr/chercheur/yonghua-li-beisson/
URL : https://www.cite-des-energies.fr/biam/recherche/ebmp/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Biosciences et Biotechnologies d’Aix Marseille
Service : Service de Biologie Végétale et de Microbiologie Environnementale