L’électro-fermentation est un nouveau levier permettant le contrôle des procédés fermentaires à travers l'utilisation d'électrodes au potentiel contrôlé. Parmi de nombreux substrats fermentaires, le glycérol est une source de carbone largement utilisée issue de l’industrie du biodiesel, et permettant la production de molécules à valeur ajoutée comme le 1,3-propanediol. L'objectif de cette thèse est d'évaluer le potentiel de l’électro-fermentation du glycérol comme moyen de mieux maîtriser les spectres de produits fermentaires dans les procédés mettant en œuvre des cultures mixtes.La thèse étudie dans un premier temps la fermentation du glycérol en cultures mixtes afin de caractériser les principales voies métaboliques d'intérêt en réponse au paramètre environnemental le plus influent pour la fermentation du glycérol (pH). L'effet de l'introduction d'électrodes colonisées par des bactéries électro-actives, capables d'échanger des électrons avec l'électrode et d’autres microorganismes, est ensuite étudié. Ce travail est réalisé en cultures mixtes dans l'objectif d'améliorer le procédé de fermentation en termes de spécificité des métabolites formés et de leur rendement de production. Enfin, un système modèle composé d’une souche fermentaire et une souche électro-active a ensuite été conçu afin de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu lors de l’électro-fermentation. Cette thèse ouvre de nouvelles possibilités quant à la régulation des balances redox lors de fermentation. L’électro-fermentation ainsi que l’utilisation de bactéries électro-actives ont le potentiel de devenir de puissants outils permettant d’améliorer les rendements et spécificité de production du 1,3-propanediol et d’autres molécules à valeur ajoutée. / Electro-fermentation is a novel tool allowing to control classic fermentation through the use of polarized electrodes. Among all possible fermentation substrates, glycerol is a widely used by-product from the biodiesel industry that can be converted in value-added chemicals such as 1,3-propanediol. This PhD thesis aims at evaluating the potential of glycerol electro-fermentation for the improvement of product specificity in mixed-culture fermentation.As a first step, classic fermentation of glycerol by mixed bacterial consortia was studied in order to characterize the main metabolic pathways according to the main influencing environmental parameter (pH). Then, the addition in fermentation broth of electrodes and electro-active bacteria, able to exchange electrons either with an electrode or other microorganisms has been investigated. This work was carried out in mixed-culture glycerol fermentation in order to optimize products selectivity and yields towards 1,3-propanediol. Finally, a model co-culture constituted of one fermentative and one electro-active species was used to elucidate part of the mechanisms underlying electro-fermentation. This thesis opens a whole new range of possibility regarding the regulation of redox balances in fermentation. Hence electro-fermentation and the use of electro-active bacteria could become efficient tools for improving specificity and yield of 1,3-propanediol and other value-added products in fermentation.

Les micro-organismes ont la capacité de s'adapter rapidement aux différentes contraintes environnementales ou métaboliques, mais le mécanisme détaillé et les principes de cette réponse adaptative en micro-organisme sont mal compris aux niveaux génétiques, biochimiques et métaboliques. Ici, une souche de E. coli a évolué avec un titre élevé de 1,3-propanediol a été sélectionné et cette souche a été analysée comme un exemple pour la découverte de ce processus d'évolution adaptative. La technologie de séquençage comparatif du génome entier a été utilisée pour identifier les mutations génétiques dans le chromosome et le plasmide portant les gènes codant pour la voie de production de 1,3-propanediol a également été séquencée. Quatre mutations ont été trouvées dans le chromosome et ils sont Ipd, glpR, dhak, nagD - promoteur. Une mutation a été trouvée dans le gène GGP2, qui est situé dans le plasmide. Toutes les mutations ont été en outre caractérisées par analyse génétique et inverse biochimique et leur influence dans le réseau métabolique sont aussi découverts. Nous avons démontré que tous les cinq mutations individuellement peuvent augmenter le taux de croissance et la production de 1,3 -propanediol. Selon le profil de fermentation de la souche évolué, l’accumulation d'acétate entravé la croissance de la souche et de l'augmentation de 1,3-propanediol titre. Pour optimiser la production de 1,3- propanediol, un nouveau catalyseur a été développé pour la co-production de 1,3-propanediol avec de l'acétone au lieu de l'acétate, parce que l'acétone a une plus grande valeur et est moins toxique que l'acétate. Les deux voies de l'acétate, dépendantes et indépendantes, ont été testées pour la co-production de 1,3-propanediol et l'acétone dans des conditions anaérobies. Pour la voie de l'acétate dépendante, en modifiant le niveau d'expression de l'acétate kinase cette voie était active dans des conditions anaérobies dans E. coli. Pour la voie de l'acétate indépendant, une courte chaîne acyl-CoA thioestérase candidat a été sélectionné et caractérisé, mais son activité doit encore être améliorée en utilisant l'évolution adaptative ou la sélection in vitro. Pour l'évolution adaptative, le réseau métabolique était rationnel conçu pour forcer de flux de carbone à la production d'acétone, ce qui va augmenter la possibilité et l'efficacité de la sélection d'une thioestérase avec une affinité et une activité élevée à l'acétoacétyl -CoA au cours du processus d’évolution adaptative. Pour la sélection in vitro, un système de bio-sensor a été développé afin de simplifier la méthode de sélection d'une thioestérase mutant avec une grande capacité de catalyser l'acétoacétyl -CoA in vitro. / Microorganisms have the ability to adapt rapidly to different environmental or metabolic constraints, but the detailed mechanism and the principles of this adaptive response in microorganism is poorly understood at the genetic, biochemical, and metabolic levels. Here, the glycerol pathway from S. cerevisiae and the B12-independent C. butyricum 1,3-PD pathways were introduced into E. coli and its central metabolic network was restructured to couple the production of 1.3-propanediol to the growth of the microorganism. This strain was grown in conditions favouring adaptive evolution for around 1000 hours. An evolved population was selected under optimal conditions in mineral medium. Comparing with the original strain, it can convert glucose to 1.3-PD at high molar yield (94 %) and its productivity was also significantly increased. Comparative whole genome sequencing technology was used to identify the genetic mutations and five mutating genes lpd, glpR, dhaK, nagD and GPP2 were discovered. All the mutations were further analysed and characterized to disclose their changes after the evolution and to elucidate their influence in the whole metabolic engineering network. To optimize the production of 1.3-PD further, we plan to convert the co-production of acetate to acetone. Indeed, the 1.3 propanediol production was hampered by the acetate inhibition on growth, and acetone is a valuable product which is less toxic thyan acetate. Both the acetate-dependent and independent pathways were tested to produce acetone and some modifications to adapt the global metabolic network were performed. Several strategies were applied to ameliorate the performance of acetone production. Finally, the bottleneck of the acetate-dependent acetone pathway under anaerobic condition was indentify and the acetate-independent acetone pathway still need to be improve with the selection of an evolved or mutant enzyme with high short-chain acyl-CoA thioesterase activity.