CalvinDesign — Conception d'un cycle de Calvin-Benson optimisé pour améliorer la fixation du CO2 et la photoproduction de biocarburants et de matières premières chimiques par les microalgues et les cyanobactéries

L'épuisement irréversible des sources traditionnelles de combustibles fossiles associé à l'accumulation de gaz à effet de serre produits par leur combustion sont une incitation à développer des formes alternatives de sources éco-responsables de carbone réduit pour la production de carburants et de produits chimiques nécessaires à notre société. Les microorganismes phototrophes sont considérés comme prometteurs pour le développement de concepts innovants basés sur leur capacité inhérente à fixer le CO2, produisant ainsi diverses molécules organiques par un procédé durable dépendant de la lumière du soleil. Pour permettre à ces microorganismes de devenir des usines cellulaires efficaces pour la production biotechnologique commercialement viable et durable de produits chimiques, un défi majeur est d'améliorer leur métabolisme photoautotrophe d’assimilation du carbone. Jusqu'à présent, les stratégies d'ingénierie métabolique ont principalement porté sur la réorientation du carbone assimilé vers la production de produits chimiques spécifiques (par exemple des alcools ou des lipides), alors que la tâche difficile consistant à améliorer le processus photosynthétique en optimisant la fixation du carbone n'a pas encore été menée de manière aussi agressive. Tel est l'objectif du projet CalvinDesign. Des pertes d'énergie importantes au cours de la photosynthèse peuvent être directement attribuées à des goulets d'étranglement cinétiques au sein du cycle de Calvin-Benson (CBC), fixateur de CO2. De nombreuses possibilités existent pour améliorer l'efficacité du CBC, au moins en changeant l'abondance des enzymes clés. L'objectif du projet CalvinDesign est de combiner la biologie des systèmes (protéomique, métabolomique) et la biologie synthétique (ingénierie génétique et métabolique, reconstitution de voies métaboliques, méthodologie Design/Built/Test) pour développer des souches de microalgues et cyanobactéries très efficace pour la fixation CO2. Ce projet se concentre sur les modèles les mieux caractérisés de microorganismes photosynthétiques, la cyanobactérie Synechocystis PCC6803 et la microalgue verte eucaryote Chlamydomonas reinhardtii. L’originalité de ce projet est d'appliquer les principes et les méthodes de la biologie synthétique pour relever le défi que constitue l’amélioration de la fixation du carbone chez les microorganismes photosynthétiques. La conception des voies métaboliques (Design) visera à lever des goulets d'étranglement limitant le CBC qui ont soit déjà été suggérés (SBPase, Rubisco, enzymes TRX-dépendantes), ou seront identifiés au cours de CalvinDesign par des approches de biologie des systèmes (phase de test) ou par le biais de la reconstitution métabolique in vitro. En effet, nous allons assembler un CBC synthétique acellulaire permettant des tester rapides des combinaisons d'enzymes plus efficaces. Les principaux goulets d'étranglement seront débloqués par ingénierie métabolique en utilisant des outils moléculaires puissants. Les souches seront caractérisés dans des conditions variables, y compris des conditions industriellement pertinentes, pour générer de nouvelles connaissances pour un nouveau cycle d'analyse le long du Cycle classique «Design, Build, Test & Learn". L'objectif du projet CalvinDesign est d'initier le cycle en effectuant au moins deux itérations, générant de nouvelles connaissances sur le CBC, ainsi que de nouvelles souches. Ces souches seront testées pour valider leur gain global en termes d’efficacité photosynthétique et de fixation de CO2. Les souches générées par le projet CalvinDesign constitueront des châssis microbiens uniques pour une production accrue de produits chimiques carbonés (alcools, alcanes, lipides, sucres, pigments, terpènes, etc.). Ces souches synthétiques hautement efficaces seront d’un intérêt industriel et commercial et offriront offrira un grand potentiel pour coupler la protection environnementale, la transition énergétique et la croissance bioéconomique.