A Dynamic Metabolomic Study of Lipid Production in Chlorella Protothecoides

De nombreuses espèces d'algues se sont révélées se développer rapidement et produire des quantités substantielles de lipides. Ainsi, identifiées comme des algues oléagineuses, on a longtemps proposé que les algues pourraient être utilisées comme une usine cellulaire de production de lipides pour l'industrie des biodiesels. Cependant, la faible production de lipides, due à un métabolisme des lipides fortement interconnecté, ainsi qu'un rendement relativement faible des procédés d'extraction ont représenté des obstacles majeurs à l'industrialisation des technologies de production de lipides d'algues. Algues d'eau douce Chlorella protothecoides était l'espèce la plus métabolique diverse et robuste trouvée dans les littératures. Il pourrait appliquer trois modes de culture différents, qui sont autotrophes sur le CO2, l'alimentation mixotrophique sur le CO2 et le glucose, et l'hétérotrophie avec le glucose uniquement. Dans cette espèce, la teneur en lipides et le rendement en biomasse étaient beaucoup plus élevés en mode de culture hétérotrophique par rapport au mode de culture autotrophique. Bien que les recherches montrent que le glucose pourrait inhiber l'affinité du CO2 dans le système de fixation du CO2 et avoir un fort effet inhibiteur sur les enzymes du cycle de Calvin ainsi que sur les protéines de collecte de lumière, l'impact de la régulation du glucose sur le niveau métabolique n'était pas clair. L'objectif principal du travail était d'améliorer le rendement lipidique des algues, en mettant l'accent sur l'ingénierie métabolique basée sur l'étude métabolomique et une modélisation cinétique, ainsi que sur l'exploration de nouvelles approches et de méthodes efficaces d'extraction des lipides, afin d'améliorer la cellule d'algues comme plate-forme d'accumulation de lipides pour la production de biodiesel. Dans la première partie, nous avons étudié différents modes de culture à base de carbone, tels que autotrophes, mixotrophes et hétérotrophes sous un faible pouvoir azoté. Sous un faible taux d'azote, les lipides pourraient être évidemment accumulés; Pendant ce temps, la différence de métabolisme cellulaire pourrait être clairement observée à cause de l'impact du glucose. L'objectif était de démêler les liens et la régulation entre le métabolisme du carbone des algues et la production de lipides. Dans cet article, nous nous concentrons profondément sur l'étude du métabolisme et de la régulation de la production de lipides dans la plate-forme d'algues et apporte une nouvelle connaissance de la régulation dans le métabolisme des lipides d'algues. Surtout, c'est la première fois que l'on étudie la dynamique de l'énergie dans les algues et que l'on retrouve la capacité de vii rotation de l'énergie dans les modes de culture hétérotrophes et mixotrophes pour une forte accumulation de lipides. La deuxième partie de ce travail a porté sur le développement d'un modèle métabolique cinétique décrivant le métabolisme central du carbone de Chlorella protothecoides cultivé dans des conditions hétérotrophes. Le modèle comprend la plupart des principales voies du métabolisme cellulaire. On a montré que les simulations de modèles concordaient avec les données expérimentales, ce qui suggère que la structure de modèle proposée fait face à la biologie des cellules de Chlorella protothecoides. Le modèle a permis d'effectuer une analyse dynamique du flux métabolique et nous a permis de démontrer que le rendement lipidique élevé s'accompagne d'un flux lipidique élevé et d'une faible activité TCA. Pendant ce temps, la distribution du flux dynamique suggère également un métabolisme stable et robuste dans Chlorella protothecoides avec un rapport relativement constant de la distribution du glucose. Ce modèle est un premier modèle métabolique cinétique dans les plates-formes d'algues et a jeté une base de base pour servir d'outil pour prédire l'ingénierie génétique ainsi que la stratégie de culture de conception pour une production optimisée de lipides en la définissant comme fonction objective. Dans la troisième et dernière partie, nous avons travaillé à améliorer les protocoles d'extraction des lipides actuels, afin de maximiser le rendement de l'extraction des lipides. Une étape de traitement de l'eau a été ajoutée et adaptée aux protocoles d'extraction actuels, entre les deux extractions de solvant organique. Les résultats ont montré que le traitement de l'eau de la biomasse après la première étape d'extraction du solvant aide à la libération des lipides intracellulaires dans la deuxième étape d'extraction, améliorant ainsi le rendement final d'extraction des lipides. Le nouveau procédé fournit donc un moyen efficace d'améliorer le rendement en extraction des lipides des méthodes existantes, ainsi que de favoriser le TAG, un lipide présentant le plus grand intérêt pour la production de biodiesel. En résumé, ce travail a permis de décrire le comportement métabolique de la production de lipides chez Chlorella protothecoides. La combinaison d'un outil d'ingénierie métabolique en amont et d'une approche optimisée de l'extraction des lipides en aval a clairement contribué à améliorer la faisabilité commerciale du bioprocessage de la production de lipides à base de microalgues.