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A Dynamic Metabolomic Study of Lipid Production in Chlorella Protothecoides

Xiaojie Ren

PhD thesis (2017)

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Cite this document: Ren, X. (2017). A Dynamic Metabolomic Study of Lipid Production in Chlorella Protothecoides (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/2582/
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Abstract

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. ----------- Many algal species have been found to grow rapidly and produce substantial amounts of lipid. These microalgae are identified as oleaginous algae and it has long been proposed that algae could be employed as a cell factory to produce lipids for biodiesel. However, low lipid production level, because of a highly regulated lipid metabolism as well as relatively low lipid extraction yields, have been major barriers to the practical application of algae lipid technologies industrially. Fresh water algae Chlorella protothecoides was the most metabolic diverse and robust species found in literatures. It could apply three different culture modes, which are autotrophic on CO2, mixotrophic feeding on CO2 and glucose, and heterotrophic with glucose only. In this species, lipid content and biomass yield were much higher under heterotrophic culture mode compared with autotrophic culture mode. Although researches found glucose could inhibit the affinity of CO2 in the CO2 fixation system, and have strong inhibitory effect on Calvin cycle enzymes as well as on light gathering proteins, the impact of glucose regulation on metabolic level were not clear. The main objective of this thesis was thus to improve the algae lipid yield, with a special emphasis on a metabolic engineering approach based on a metabolomics study, kinetic modeling as well as on exploring new approaches of efficient lipid extraction methods, in order to improve algae cell as a lipid accumulation platform for biodiesel production. In the first part, we studied different carbon-based culture modes, such as autotrophic, mixotrophic, and heterotrophic under a low nitrogen medium condition. Under low nitrogen condition, lipid could be obviously accumulated; meanwhile the difference of cell metabolism could be clearly seen from glucose impact. The aim was to unravel the links and regulation between algae carbon metabolism and lipid production. In this article, we deeply focus on the metabolism and regulation study of lipid production in algae platform and it brings novel knowledge of regulation in algae lipid metabolism. Especially it’s the first time to investigate the energy dynamic in algae and found energy turn over capacity in heterotrophic and mixotrophic culture modes for high lipid accumulation. The second part of this work focused on the development of a kinetic metabolic model describing Chlorella protothecoides central carbon metabolism grown under heterotrophic condition. The model includes most of the major pathways of the cell metabolism. Model simulations were shown to agree with experimental data, which is suggesting that the proposed model structure copes with ix Chlorella protothecoides cells’ biology. The model enabled performing a dynamic metabolic flux analysis, and enabled us to demonstrate that high lipid yield is accompanied with high lipid flux and low TCA activity. Meanwhile, the dynamic flux distribution also suggests a robust and stable metabolism in Chlorella protothecoides with relatively constant ratio of glucose distribution. This model is a first kinetic metabolic model in algae platforms and laid a basic foundation to serve as a tool in predicting genetic engineering as well as design culture strategy for optimized lipid production by defining it as objective function. In the third and final part, we worked at improving current lipid extraction protocols, to maximize lipid extraction yield. A water treatment step was added and adapted to current extraction protocols, between the two organic solvent extractions. Results showed water treatment of biomass after the first solvent extraction step helps the release of intracellular lipids in the second extraction step, thus improving the final lipids extraction yield. The novel method thus provides an efficient way to improve lipid extraction yield of existing methods, as well as favoring TAG, a lipid of the highest interest for biodiesel production. In conclusion, this thesis allowed ameliorating our understanding of the links between cell metabolomic behavior and lipid production in Chlorella protothecoides. The combination of an upstream metabolic engineering tool and an optimized downstream lipid extraction approach has clearly contributed to ameliorate the commercial feasibility of lipids production bioprocess based on microalgae.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie chimique
Dissertation/thesis director: Mario Jolicoeur, Réjean Tremblay and Jean-Sébastien Deschênes
Date Deposited: 30 Oct 2017 14:45
Last Modified: 27 Jun 2019 16:47
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/2582/

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